DE4117677C2

DE4117677C2 - Anordnung zum Schutz einer supraleitenden Spule

Info

Publication number: DE4117677C2
Application number: DE4117677A
Authority: DE
Inventors: Satarou Yamaguchi; Tadanori Tsukamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1991-05-29
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2011-05-30
Also published as: US5210674A; DE4117677A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz einer supraleitenden Spule, die zu einer einen Betriebsstrom liefernden Gleitstromquelle parallel geschaltet ist.

In den Fig. 1 bis 4 sind Schaltdiagramme verschiedener Schutzanordnungen für Supraleitspulen gezeigt, die in der Veröffentlichung des japanischen Institutes für Elektroingenieurwesen vom Dezember 1982 von T. Nakano, S. Okuma und Y. Amamiya, B-102 Nr. 12 Seite 73 bis 79 unter dem Titel "Improvements in the Parallel Resistor Circuit for the Quench Protection of a Superconducting Magnet" offenbart wurden.

Bei der in Fig. 1 gezeigten bekannten Schutzanordnung mit Parallelwiderstand weist ein Kryostat CR eine Supraleitspule L und einen Widerstand R(t) in einem normal leitenden Bereich in der Supraleitspule L auf. Der Widerstandswert dieses Widerstands R(t) nimmt im Verlauf der Zeit zu. An den Kryostat CR ist eine Stromquelle E über einen Trennschalter S angeschlossen, und parallel zum Kryostat CR ist ein Schutzwiderstand RD geschaltet.

Fig. 2 zeigt eine Schutzschaltung, bei der anstelle des Schutzwiderstandes RD eine Diode D und zwei Schalter S1 und S2 sowie drei Widerstände R1, R2 und R3 vorgesehen sind, die einen mehrstufigen Parallelwiderstand bilden.

Fig. 3 zeigt eine Schutzschaltung, bei der in Reihe geschaltete Widerstände Ra und Rb parallel zum Kryostat CR geschaltet sind und ein Kondensator C an den Widerstand Rb angeschlossen ist. Die in Fig. 4 gezeigte Schutzschaltung weist ferner eine Reihenschaltung aus einer Induktivität Ls und einem Widerstand Rs auf, die zum Schutzwiderstand parallelgeschaltet sind.

Bei all diesen bekannten Schutzschaltungen gemäß Fig. 1 bis 4 ist ein Trennschalter S zwischen die Stromquelle E und die Supraleitspule L geschaltet. Dieser Trennschalter S ist beim normalen Betrieb geschlossen, und es fließt ein sehr großer Strom von der Stromquelle E durch die Supraleitspule L aber im wesentlichen kein Strom durch den Schutzwiderstand RD, weil dieser einen hohen Widerstandswert hat.

Wenn es jedoch in der Supraleitspule L zum Quenchen kommt, dann wird, sobald das Auftreten des Quenchens in der Supraleitspule L wahrgenommen wird, die Spannung der Stromquelle E verringert und gleichzeitig der Trennschalter S geöffnet. Damit wird eine hohe Spannung Vc, die am Trennschalter S erzeugt wird, an den Schutzwiderstand RD angelegt, worauf ein elektrischer Strom nach dem Durchfließen der Supraleitspule L in Richtung des Pfeiles i_c zu fließen beginnt. Daraufhin wird die in der Supraleitspule L gespeicherte magnetische Energie am Schutzwiderstand RD in Wärme umgewandelt, um ans Äußere des Kryostaten CR abgegeben zu werden, wodurch die Supraleitspule L geschützt werden kann.

Bei dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Schutzsystem muß der Trennschalter einen außerordentlich großen Strom verkraften, der bei normaler Betriebsbedingung durch die Supraleitspule fließt, und außerhalb muß der Trennschalter diesen massiven Strom bei hoher Spannung unterbrechen, wenn in der Supraleitspule ein Quenchen auftritt. So ist z. B. in der Konstruktioenspezifikation für eine experimentelle Plasmavorrichtung mit Supraleitfähigkeit, die vom wissenschaftlichen Kernfusionslabor beim Erziehungsministerium der japanischen Regierung geplant wird, ein kontinuierlicher Strom von 20 kA bis 30 kA vorgesehen, und es wird eine Spannung von 6 kV im Zeitpunkt der Unterbrechung erzeugt. Ein für diese Spezifikation ausgelegter Trennschalter muß unweigerlich sehr groß und teuer werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der genannten Schwierigkeiten wie bei den herkömmlichen Konstruktionen eine Anordnung zu schaffen, mit denen eine Supraleitspule wirksam und zuverlässig auf einfache und kostengünstige Weise abgeschaltet und geschützt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Anordnung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1-4 Schaltdiagramme verschiedener Beispiele von herkömmlichen Anordnungen zum Schutz von Supraleitspulen;

Fig. 5 ein Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Supraleitspulen-Schutzanordnung und

Fig. 6 ein Schaltschema eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Schutzanordnung für eine Supraleitspule, bei der im Vergleich zu Fig. 5 ein Trennschalter und ein zusätzlicher Schutzwiderstand hinzugefügt ist.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung zum Schutz einer Supraleitspule L, die mit einer Stromquelle PS parallelgeschaltet ist. Zu der Schutzanordnung für die Supraleitspule gehört ein Quenchdetektor QD, bei dem es sich um einen beliebigen bekannten Detektor, beispielsweise einen Brückendetektor handeln kann, der das Auftreten eines Quenchens in der Supraleitspule L wahrnimmt und ein Signal erzeugt.

Der Quenchdetektor QD ist an einen der Stromquelle PS zugeordneten Regler VC angeschlossen, um in Abhängigkeit vom Quenchsignal den Strom der Stromquelle PS zu verringern. Als Regler VC kann jeder beliebige bekannte Regler benutzt werden, beispielsweise ein Thyristor oder ein GTO-Thyristor.

Zu der Schutzanordnung gehört ferner ein Stromunterbrecher (Öffner) CB, der mit der Supraleitspule L über einen in Reihe geschalteten ersten Schalter SW1 parallelgeschaltet ist, wobei dieser Schalter SW1 normalerweise offen ist, aber in Abhängigkeit von dem vom Quenchdetektor QD gelieferten Signal geschlossen wird. Der Stromunterbrecher CB erlaubt einen ersten Stromfluß eines von der Supraleitspule L kommenden Stomes, wenn der erste Schalter SW1 geschlossen und die Stromquelle PS mittels des Reglers VC reduziert ist, wobei der fließende Strom durch das Verhältnis zwischen der Impedanz der Stromquelle PS und der Impedanz der Reihenschaltung aus Stromunterbrecher CB und erstem Schalter SW1 bestimmt ist.

Die Schutzschaltung CI weist eine erste Reihenschaltung mit dem Unterbrecher CB und einer Diode D1 sowie eine zweite Reihenschaltung mit einem Kondensator C1, einer Induktivität L1 und einem zweiten Schalter SW2 auf, die mit der ersten Reihenschaltung parallelgeschaltet ist. Der zweite Schalter SW2 ist normalerweise offen und so ausgelegt, daß er sich bei einem Quenchen in der Supraleitspule L mit vorherbestimmter zeitlicher Verzögerung τ1, die einer sehr kurzen, zur Beendigung der ersten Stromwendung erforderlichen Zeitspanne entspricht, schließt.

Die Schutzschaltung CI zur Übernahme des Spulenstromes weist ferner einen Schutzwiderstand RD auf, der zur ersten Reihenschaltung parallelgeschaltet ist. Der Schutzwiderstand RD hat einen so großen Widerstandswert, daß er die Energie des verbleibenden Kompensationsstrommes in Wärme umwandeln kann.

Während des normalen Betriebs der Vorrichtung mit Supraleitspule tritt in der Supraleitspule L kein Quenchen auf, und der Quenchdetektor QD liefert kein Löschsignal. Deshalb ist der erste Schalter SW1 offen, und der Regler VC macht es möglich, daß von der Stromquelle PS ein vorherbestimmter Strom il an die Supraleitspule L geliefert wird. Der Leistungsschalter CB in der Schutzschaltung CI ist geschlossen, und der zweite Schalter SW2 ist geöffnet, so daß die im zuvor aufgeladenen Kondensatorblock C1 vorhandene elektrische Ladung beibehalten bleibt.

Wenn der Quenchdetektor QD ein Löschen wahrnimmt, erzeugt er ein Signal. Dieses Signal veranlaßt den der Stromquelle PS zugeordneten Regler VC, den Ausgangswert der Stromquelle PS zu verringern und verursacht, daß der erste Schalter SW1 geschlossen wird. Die Abnahme des Ausgangswertes von der Stromquelle PS wird so lange forgesetzt, bis er Null erreicht. In dem Maß, in dem er durch die Supraleitspule L fließende Strom il abzunehmen beginnt, nimmt ein durch die Schutzschaltung CI fließender Strom i2 (bzw. der Strom durch die Diode D1, den Leistungsschalter CB und den ersten Schalter SW1) rasch zu. Wenn der Wert der Stromquelle PS auf einen ersten Wert absinkt, bei der der durch die Stromquelle PS fließende Strom Null wird und der gesamte Strom i2 von der Supraleitspule L durch die erste Reihenschaltung fließt, wird die Stromquelle PS gegenüber der Supraleitspule L elektrisch isoliert.

Danach schließt sich der zweite Schalter SW2 in Abhängigkeit vom Signal des Quenchdetektors QD, jedoch mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung τ1, die einer Zeitspanne entspricht, welche für das Abregeln nach dem Auftreten des Quenchens in der Supraleitspule L erforderlich ist. Daraufhin wird die im Kondensatorenblock C1 gespeicherte elektrische Ladung als ein durch einen Pfeil angedeuteter Strom i3 durch den Öffner CB entladen. Da der Strom i2 und der Strom i3 entgegengesetzt gerichtet sind, und da der Kondensatorenblock C1 so gewählt ist, daß sein Entladungsstrom ausreicht, um den Strom i2 auf Null zu reduzieren, wird der durch den Öffner CB fließende Strom auf Null herabgesetzt bzw. kompensiert. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ausmaß des Entladungsstroms i3 größer als der Strom i2, so daß die Richtung des rsultierenden Stroms (i2-i3) durch den Öffner CB umgekehrt wird. Da jedoch in dem Öffner CB die Diode D1 vorgesehen ist, fließt dann kein Strom durch den Öffner CB.

Der Öffner CB kann also nunmehr in Abhängigkeit vom Quenchsignal mit einer entsprechenden Verzögerung τ2 geöffnet werden, ohne daß dabei an den Trennkontakten ein elektrischer Lichtbogen erzeugt wird, und der durch die Schutzschaltung CI fließende Strom wird unterbrochen. Ein Reststrom i4 kann durch den Schutzwiderstand RD fließen, der mit der ersten Reihenschaltung der Schutzschaltung CI parallelgeschaltet ist, wodurch die Energie dieses Stroms i4 im Schutzwiderstand RD in Wärme umgesetzt wird.

Wie vorstehend beschrieben, weist die Schutzschaltung für die Supraleitspule eine Parallelschaltung aus einem Schutzwiderstand und einen Öffner auf, der zur Supraleitspule parallelgeschaltet ist, so daß keine Notwendigkeit besteht, einen Trennschalter mit hohen langfristigen Leistungswerten vorzusehen, wie es bisher nötig war, um in einer Vorrichtung mit Supraleitspule einen extrem großen Strom während einer langen Betriebsdauer zu führen. Alle in der Schutzschaltung vorgesehenen Schalter können für kurzfristige Leistungen ausgelegt sein. Deshalb kann die Anordnung in ihren Gesamtabmessungen kompakt und weniger teuer ausgelegt sein. Da ferner ein Wechselstromunterbrecher in der Schutzstellung benutzt werden kann, braucht kein großer Gleichstromunterbrecher mit Nennwerten für langfristigen Betrieb entwickelt zu werden.

In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schutzschaltung für eine Supraleitspule gezeigt. Die Anordnung bei diesem Ausführungsbeispiel hat den gleichen Grundaufbau, weist aber einen Trennschalter DS zusätzlich auf, der mit der Stromquelle PS in Reihe geschaltet ist und bei Beendigung des Abregelns der Stromquelle geöffnet wird, sowie einen zweiten Schutzwiderstand RD2, der über einen dritten Schalter SW3 mit dem ersten Schutzwiderstand RD1 parallelgeschaltet ist und ein Schutzwiderstandsnetzwerk bildet.

Zum Schutz arbeitet diese Anordnung mit Ausnahme des Trennschalters DS und des zweiten Schutzwiderstands RD2 ähnlich wie das in Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel. Der Trennschalter DS ist normalerweise geschlossen, wird aber zum Schutz der Stromquelle PS geöffnet, wenn der Stromfluß i2 durch die erste Reihenschaltung beendet ist und die Stromquelle PS gegenüber der Supraleitspule L elektrisch isoliert wurde. Die Betätigung des Trennschalters erfolgt automatisch im wesentlichen mit der gleichen zeitlichen Abstimmung wie das Schließen des zweiten Schalters SW2 in der Schutzschaltung CI in Abhängigkeit vom Quenchsignal mit einer entsprechenden zeitlichen Verzögerung τ₁.

Aufgabe des zweiten Schutzwiderstandes RD2 und des dritten Schalters SW3 ist es, den Schutzwiderstandswert einstellbar zu machen, so daß die Zeitkonstante für die schnelle Reduzierung des Stroms von der Supraleitspule L auf einen passenden Wert gesetzt werden kann.

Claims

. Anordnung zum Schutz einer supraleitenden Spule (L), die zu einer einen Betriebsstrom liefernden Gleichstromquelle (PS) parallelgeschaltet ist, umfassend
- a) einen Detektor (QD) zum Erfassen des Quenchens der supraleitenden Spule (L) und zur Erzeugung eines Detektorsignales,
- b) einen Reger (VC), der den von der Gleichstromquelle (PS) gelieferten Betriebsstrom innerhalb einer Zeit τ1 nach Eintreffen des Detektorsignals auf Null absenkt,
- c) eine Schutzschaltung (CI) zur Übernahme des Spulenstromes, welche der supraleitenden Spule (L) parallelgeschaltet ist, wobei die Schutzschaltung (CI) aus einer ersten Reihenschaltung eines Öffners (CB) und einer Diode (D1), aus einer zweiten Reihenschaltung eines geladenen Kondensators (C1) und eines Schließers (SW2) und aus einem Schutzwiderstandsnetzwerk besteht, und wobei die erste und zweite Reihenschaltung sowie das Schutzwiderstandsnetzwerk parallelgeschaltet sind,
- d) einer ersten Verzögerungseinheit, die das Detektorsignal um die Zeit τ1 verzögert und mit ihrem Ausgangssignal den Schließer (SW2) betätigt, so daß von dem Kondensator (C1) ein den Stromfluß durch den Öffner (CB) kompensierender Strom geliefert wird und
- e) einer zweiten Verzögerungseinheit, die das Detektiersignal um eine Zeit τ2 verzögert und mit ihrem Ausgangssignal den Öffner (CB) betätigt, wobei die Zeit τ2 so gewählt ist, daß der Strom durch den Öffner (CB) kompensiert ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Reihenschaltung zusätzlich eine Induktivität (L1) aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Stromquelle (PS) ein Trennschalter (DS) in Reihe geschaltet ist, der bei einem Betriebsstrom von Null geöffnet wird.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzwiderstandsnetzwerk aus einer Parallelschaltung eines ersten Schutzwiderstandes mit einem zweiten Schutzwiderstand (RD2) und einem in Reihe mit diesem liegenden Schalter (SW3) besteht.