DE69010770T2

DE69010770T2 - Strombegrenzungsvorrichtung.

Info

Publication number: DE69010770T2
Application number: DE69010770T
Authority: DE
Inventors: Kazuyuki Tsurunaga
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-05-22
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2010-05-23
Also published as: DE69010770D1; EP0399481A1; EP0399481B1; US5225957A

Description

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungsvorrichtung zum Unterdrücken eines Überstromes in einem Strompfad gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 (DE-C-1 932 376).
Um ein elektrisches Gerät gegen einen Überstrom zu schützen, welcher durch einen Kurzschluß zwischen Leitungen oder einen Kurzschluß gegen Masse in einem Strompfad, beispielsweise einer Verteilungsleitung, verursacht wird, muß ein durch das elektrische Gerät fließender Überstrom sofort auf einen bestimmten niedrigen Wert begrenzt werden. Ein Strombegrenzungsgerät, welches eine supraleitende Spule zum Begrenzen eines Überstroms verwendet, ist beispielsweise in der oben genannten DE-C-1 932 376 offenbart. Aus der US-A-4 688 137 und der EP-A- 0 299 281 sind Strombegrenzungsvorrichtungen bekannt, die beide das sogenannte Quenchphänomen ausnutzen, d.h. den Übergang einer supraleitenden Spule in den Widerstands- oder Sperrzustand, und die beide ein elektrisches Gerät schützen, welches eine Schaltung mit einem parallel zu der supraleitenden Spule angeschlossenen Transistor haben.
Fig. 1 zeigt den Aufbau der in der DE-C-1 932 376 offenbarten Strombegrenzungsvorrichtung. Bei dieser Strombegrenzungsvorrichtung ist ein Tieftemperaturbehälter 53 mit einem Kanal 54 für ein Kühlmittel, wie Helium, vorgesehen. In dem Behälter sind Wicklungen, oder Spulen, 51 und 52 aus einem supraleitenden Werkstoff um einen gemeinsamen Spulenkörper gewickelt. In einem Strompfad durch welchen den Spulen Leistung zugeführt wird, sind eine übliche leitende Drosselspule 55 und ein Schalter 59 in Reihe geschaltet. Die Richtungen der durch die Spulen 51 und 52 erzeugten magnetomotorischen Kräfte sind zueinander entgegengesetzt, und der kritische Stromwert der Spule 51 liegt niedriger als der der Spule 52.
Im folgenden ist der Betrieb der oben beschriebenen Strombegrenzungsvorrichtung beschrieben. Im normalen Strombetrieb sind beide Spulen 51 und 52 in einem supraleitenden Zustand, so daß lediglich ein Streufluß Φs zwischen den Spulen auftritt, d.h. nur eine Streureaktanzkomponente, so daß ein geringer Verlust in der Leistungsversorgung zugelassen wird. Wenn dagegen in einem Strompfad 58 ein Überstrom auftritt, guenscht die Spule 51 mit dem niedrigeren kritischen Stromwert zuerst und springt in einen normal leitenden Zustand um, in dem sie einen hohen Widerstandswert hat. Der durch die Spule 51 fließende Strom wird daher durch den hohen Widerstandswert begrenzt, und fast der gesamte Strom wird zu der Spule 52 umgeleitet, welche sich in einem supraleitenden Zustand befindet. Ein durch die Spule 52 gehender Magnetfluß wird erzeugt und eine entsprechende Induktivität wird in dieser gebildet. Diese Induktivitätskomponente unterdrückt den Überstrom. Daraufhin öffnet eine Bedienungsperson den Schalter 59, um den Strompfad vollständig zu unterbrechen. Diese Unterbrechung des Strompfades wird durchgeführt, um den weiteren Verbrauch des teuren Kühimittels (z.B. Helium) zu unterbinden, welcher durch Verdampfung aufgrund der Wärmeerzeugung durch die Spule 51 verursacht wird.
Der Schalter muß jedoch von der Bedienungsperson geöffnet werden, und so ergibt sich der Nachteil, daß aufgrund der Zeitverzögerung für das Unterbrechen Kühlmittel verbraucht wird.
Eine andere bekannte Strombegrenzungsvorrichtung ist in der JP-A-63/253315 (1988) offenbart, bei der um den äußeren Umfang einer nicht-induktiv gewickelten supraleitenden Spule eine supraleitende Reaktanzspule gewickelt ist, die einen größeren kritischen Stromwert hat als die supraleitende Spule.
Diese Strombegrenzungsvorrichtung ist jedoch insofern nicht zufriedenstellend, als die nicht-induktive supraleitende Spule oder Triggerspule abhängig von dem Wert des Löschwiderstandes große Verluste beim Quenschen (Zusammenbruch der Supraleitfähigkeit) aufweist, wenn die Systemspannung hoch ist, wodurch aufgrund von Erhitzung der supraleitende Draht beschädigt wird oder in einigen Fällen der Draht durchbrennt oder schmilzt.
Es ist daher notwendig, den Wert des Löschwiderstandes der Triggerspule groß zu machen, wenn die Systemspannung zunimmt. Bei der herkömmlichen Technologie führt jedoch der notwendige größere Wert für den Löschwiderstand zu einer sehr großen Strombegrenzungsvorrichtung. Es wird daher ein kompaktes Gerät angestrebt.
Ferner ist es auch wünschenswert, nach der Durchführung einer Strombegrenzung aufgrund eines in dem System aufgetretenen Störfalles und nach Beseitigung der Ursache des Störfalles den Normalzustand der Strombegrenzungsvorrichtung so schnell wie möglich wiederherzustellen. Bei der herkömmlichen Technologie erfordert jedoch die Wiederherstellung des supraleitenden Zustandes einer Triggerspule, welche einmal gequenscht hat, eine Kühlphase in der Größenordnung von mindestens einer Sekunde nach der Unterbrechung des Strompfades. Bevor eine solche Kühlphase abgeschlossen ist, kann die gesamte Strombegrenzungsvorrichtung ihren Normalzustand nicht wiedergewinnen.
Die Strombegrenzungsvorrichtung der in Fig. 1 gezeigten Art wird im allgemeinen dazu verwendet, einen Kurzschlußstrom in einem Strompfad mit hoher Spannung und großem Strom zu unterdrücken. Eine solche Strombegrenzungsvorrichtung wird beispielsweise für jede Speiseleitung einer Leistungsverteilungseinheit mit Nennwerten von 6,6 kV und 600 A angewendet. In diesem Fall sind die Anforderungen an die Strombegrenzungsvorrichtung, daß der Anfangsstrom beim Strombegrenzungsbetrieb 1200 A beträgt die Betriebsimpedanz 2 Ohm ist und der Spitzenwert für die Strombegrenzung etwa 3 kA beträgt. Um diesen Anforderungen zu genügen, sollte die Induktivität der Strombegrenzungsspule 52 etwa 6,5 mH für das 50 Hz System aufweisen. Zusätzlich muß die Spule aus einem supraleitenden Draht mit einem kritischen Stromwert von mehr als 3 kA hergestellt sein, so daß der Aufbau der Spule zwingend eine Mehrschicht-Wicklung erfordert.
Mit der heutigen Technologie hat der Aufbau der Spule 52 beispielsweise die folgenden Abmessungen. Der innere Durchmesser beträgt 100 mm, der äußere Durchmesser beträgt 200 mm, die Länge der gesamten Spule beträgt 40 mm, und die Anzahl der Windungen beträgt 400, welche aus zehn Schichten aufgebaut sind. Um die Streureaktanz (normale Impedanz) der Vorrichtung zu minimieren, ist die andere Spule 51 unter der Spule 52 angeordnet und so aufgebaut, daß sie eine magnetomotorische Kraft aufweist, welche im wesentlichen gleich der der Spule 52 ist und in entgegengesetzter Richtung zu dieser verläuft.
Die Rate, mit welcher sich die Magnetflüsse der Spulen 51 und 52 aufheben, nimmt jedoch ab, wenn der Unterschied zwischen den Spulenquerschnitten groß wird. Die oben beschriebene beispielhafte Vorrichtung hat eine Streuinduktivität von etwa 1 mH, welche als die normale Impedanz der Strombegrenzungsvorrichtung dient, woraus sich ein Abfall der Versorgungsspannung ergibt. Von der oben beschriebenen Strombegrenzungsvorrichtung mit den Nennwerten von 6,6 kV und 600 A wird beispielsweise ein Spannungsabfall von etwa 190 V erzeugt.
Wie oben beschrieben, wird bei einer herkömmlichen supraleitenden Strombegrenzungsvorrichtung eine umso größere Betriebsimpedanz (Impedanz der Spule 52) benötigt je höher die Spannung des Systemstromkreises ist, woraus sich eine Zunahme der Streuinduktivität und ein üblicher Spannungsabfall ergeben.
Es ist daher die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine supraleitende Strombegrenzungsvorrichtung vorzusehen, welche einen in einem Strompfad erzeugten Überstrom begrenzen kann und sofort wirksam ist, um thermische Schwierigkeiten zu vermeiden, welche durch den Überstrom verursacht werden, um so die Verdampfung eines Kühlmittels, wie flüssiges Helium, zu verhindern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strombegrenzungsvorrichtung vorzusehen, welche sogar für den Einsatz in einem Hochspannungssystem mit kompaktem Aufbau hergestellt werden kann und sofort einen normalen Betriebszustand wiedereinnimmt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strombegrenzungsvorrichtung vorzusehen, welche unabhängig von dem Wert der Strombegrenzungsimpedanz die normale Impedanz minimal halten kann und einen Verlust durch einen Abfall der Versorgungsspannung an der Spule, welche während des Betriebs, d.h. während eines Überstroms, quenscht, vermindern kann.
Diese Aufgaben werden von Anspruch 1 gelöst.
Bei einer Strombegrenzungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird beim Auftreten eines Überstroms daher fast der gesamte Strom zu der zweiten supraleitenden Spule übertragen, und es wird das entsprechende magnetische Feld erzeugt. Das erzeugte Magnetfeld bewirkt daß sich das Schaltelement öffnet, und unterdrückt den Fluß des Überstroms. Das Schaltelement öffnet sich zur selben Zeit, zu der die zweite supraleitende Spule ein Magnetfeld erzeugt, so daß der Öffnungsvorgang des Schaltelementes zuverlässig mit hoher Geschwindigkeit und ohne irgendeine Verzögerung ausgeführt wird. Die Temperaturschwierigkeiten, welche durch den Überstrom verursacht werden, können daher sofort beseitigt werden, und die Verdampfung von Kühlmittel, wie flüssigem Helium, kann verhindert werden.
Bei einer Strombegrenzungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der mehrere in Reihe geschaltete Triggerspulen verwendet werden, kann der Widerstandswert der Triggerspulen während des Strombegrenzungsvorgangs groß gemacht werden, und die Impedanz kann während des Normalbetriebs vermindert werden, wodurch sich während des Betriebs eine erhebliche Verminderung der Verluste ergibt. Dadurch kann die Menge des verdampfenden Kühlmittels vermindert werden, und eine Kühlvorrichtung kann kompakt gestaltet werden, so daß die Gesamtabmessungen der Vorrichtung klein gehalten werden können.
Zusätzlich ist eine supraleitende Wiederherstellungsspule vorgesehen, so daß die Triggerspulen schnell in den supraleitenden Zustand kommen können, wodurch die Wiederaufnahme des Normalbetriebs beschleunigt wird.
In den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer herkömmlichen Strombegrenzungsvorrichtung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer ersten Ausführungsform der Strombegrenzungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 den Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer zweiten Ausführungsform der Strombegrenzungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 die Anordnung und die Verbindung der in Fig. 4 gezeigten Spulen,
Fig. 6 ein Schaltplan der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung,
Fig. 7 ein Diagramm, welches eine Veränderung des Stromes während des Betriebs der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung zeigt,
Fig. 8 ein Diagramm, welches eine Veränderung der Impedanz während des Betriebes der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung zeigt,
Fig. 9 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer dritten Ausführungsform der Strombegrenzungsvorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 10 die Anordnung und Verbindungen der in Fig. 9 gezeigten Spulen,
Fig. 11 ein Diagramm, welches die Ausbreitung des Quenschvorganges darstellt,
Fig. 12 ein Diagramm, welches eine Veränderung des Stromes während des Betriebs der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung darstellt, und
Fig. 13 ein Diagramm, welches eine Veränderung der Impedanz während des Betriebs der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung darstellt.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Ausführungsform der supraleitenden Strombegrenzungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung, und Fig. 3 ist eine Darstellung, die zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung dient.
In Fig. 2 ist die supraleitende Strombegrenzungsvorrichtung 10 dieser Ausführungsform zwischen einer Wechselstromquelle 1 und einer Last 2 angeschlossen. Die Strombegrenzungsvorrichtung 10 ist in einem (nicht gezeigten) Gerät untergebracht, welches eine tiefe Temperatur aufrechterhält und mit einem Kühlmittel, wie fiüssigem Helium, gefüllt ist.
Die Strombegrenzungsvorrichtung 10 ist im folgenden im einzelnen beschrieben.
Die Strombegrenzungsvorrichtung 10 hat eine erste supraleitende Spule (im folgenden als Triggerspule bezeichnet) 11 zylindrischer Form mit einem vorgegebenen kritischen Stromwert und eine zweite supraleitende Spule (im folgenden als Strombegrenzungsspule bezeichnet) 12 zylindrischer Form, die um die Triggerspule 11 herum angeordnet ist. Die Strombegrenzungsspule 12 hat einen anderen vorgegebenen kritischen Stromwert, der größer ist als der der Triggerspule 11, und sie ist so aufgebaut, daß sie eine magnetomotorische Kraft mit im wesentlichen derselben Intensität wie die Triggerspule 11 und in entgegengesetzter Richtung zu dieser erzeugt. Die Triggerspule 11 und die Strombegrenzungsspule 12 sind um Spulenkörper 13 bzw. 14 gewickelt.
Die einen Enden der Triggerspule 11 und der Strombegrenzungsspule 12 sind zusammen mit einem gemeinsamen Anschluß 15 verbunden. Das andere Ende der Triggerspule 11 ist mit einem Triggerspulenanschluß 16 verbunden, und das andere Ende der Strombegrenzungsspule 12 ist mit einem Strombegrenzungsspulenanschluß 17 verbunden.
Ein Schaltelement 18, wie ein Vakuumschalter, ist mit dem Triggerspulenanschluß 16 verbunden und mit der Triggerspule 11 in Reihe geschaltet. Das seriell angeschlossene Schaltelement 18 und die Triggerspule 11 sind parallel mit der Strombegrenzungsspule 12 verbunden. Das Schaltelement 18 ist so angeordnet, daß es innerhalb des magnetischen Feldes positioniert ist, welches von der Strombegrenzungsspule erzeugt werden soll, wie weiter unten mit weiteren Einzelheiten beschrieben ist. Abhängig von dem Stromunterdrückungszustand an der Triggerspule 11 erzeugt die Strombegrenzungsspule 12 ein Magnetfeld, das bewirkt, daß sich das Schaltelement 18 öffnet. Im einzelnen heißt das, daß dann, wenn die Triggerspule 11 in einen Stromunterdrückungszustand kommt, das von der Strombegrenzungsspule 12 erzeugte Magnetfeld bewirkt, daß der Anker zum Ansteuern des Kontaktes des Schaltelementes, beispielsweise eines Vakuumschalters, betätigt wird.
Der Betrieb der wie oben erläutert aufgebauten Ausführungsform ist im folgenden mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben.
Während des normalen Betriebszustandes der supraleitenden Strombegrenzungsvorrichtung wird das Schaltelement 18 geschlossen gehalten. Die durch die Strombegrenzungsspule 12 und die Triggerspule 11 der Strombegrenzungsvorrichtung 10 fließenden Ströme i1 und i2 sind im wesentlichen gleich, so daß die durch die Ströme i1 und i2 erzeugten magnetischen Flüsse Φ1 und Φ2 sich gegenseitig aufheben. Die Strombegrenzungsvorrichtung ist demzufolge nicht induktiv und hat einen Widerstandswert von null, wodurch ein Normalbetrieb der Vorrichtung zugelassen wird.
Wenn ein anormaler Zustand auftritt, d.h. wenn ein Überstrom auftritt, quenscht die Triggerspule 11 mit dem kleineren kritischen Stromwert aufgrund des Überstroms und nimmt einen großen Widerstandswert an, so daß der durch die Triggerspule 11 fließende Strom unterdrückt wird. Fast der gesamte durch die Strombegrenzungsvorrichtung fließende Strom wird daher zu der Strombegrenzungsspule 12 (i1 » i2) umgeleitet, und die Strombegrenzungsspule 12 wirkt als eine Reaktanzspule. Da das Schaltelement 18 innerhalb des von der Strombegrenzungsspule 12 erzeugten Magnetfeldes angeordnet ist, wird es von dem von der Strombegrenzungsspule 12 erzeugten Magnetfluß Φ1 (Φ2 0) geöffnet. Der Strompfad der Triggerspule 11 wird daher unterbrochen, und der gesamte Strom fließt über die Strombegrenzungsspule 12 zur Last 3, wobei er unterdrückt wird. Der Öffnungsvorgang des Schaltelementes 18 wird gleichzeitig mit dem Reaktanzspulenbetrieb der Strombegrenzungsspule 12 durchgeführt, weil das Schaltelement 18 innerhalb des von der Strombegrenzungsspule 12 erzeugten Magnetfeldes angeordnet ist.
Wenn ein Schaltelement außerhalb des erzeugten Magnetfeldes angeordnet ist, muß der Zustand der Strombegrenzungsspule hinsichtlich der Stromunterdrückung erfaßt werden, und daraufhin muß das Schaltelement mit Hilfe eines Relais oder dergleichen betätigt werden. Eine solche Anordnung macht die Strombegrenzungsvorrichtung nicht nur kompliziert, sondern sie erfordert auch eine längere Ansprechzeit. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Schaltelement jedoch innerhalb des von der Strombegrenzungsspule erzeugten Magnetfeldes angeordnet. Die Vorrichtung kann also mit hoher Geschwindigkeit arbeiten, wobei sofort verhindert wird, daß durch einen Überstrom Probleme aufgrund der Temperatur entstehen, und ein Verdampfen von teurem Kühlmittel vermieden wird.
Ferner bewirkt das Magnetfeld oder der Magnetfluß, welche abhängig von einer Veränderung des durch die Strombegrenzungsspule fließenden Stromes erzeugt werden, daß das Schaltelement betätigt wird, um so den Überstrom zu begrenzen. Die Strombegrenzungsvorrichtung hat also außer einer Induktivität keinen Widerstand, wodurch ein kontinuierlicher und verlustloser Strombegrenzungsbetrieb ermöglicht wird. Ferner wird als Antriebsquelle für das Schaltelement das erzeugte Magnetfeld verwendet, so daß keine weitere Ansteuerungsquelle notwendig ist. Schließlich sind nur zwei Anschlußdrähte für jede Phase notwendig, weil das Schaltelement innerhalb des von der Strombegrenzungsspule erzeugten Magnetfeldes angeordnet ist und die Strombegrenzungsfunktion bei Betätigung des Schaltelementes ausgeführt wird. Wenn das Schaltelement außerhalb des erzeugten Magnetfeldes angeordnet ist, sind für jede Phase drei Anschlußdrähte notwendig. Da die Anzahl von Anschlußdrähten vermindert wird, kann der Kühlwirkungsgrad der supraleitenden Strombegrenzungsvorrichtung verbessert werden.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer zweiten Ausführungsform der Strombegrenzungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, Fig. 5 zeigt ein Schema der Wicklungsrichtungen und Verbindungen der Spulen der in Fig. 4 gezeigten Strombegrenzungsvorrichtung, und Fig. 6 zeigt einen Schaltplan der in Fig. 4 gezeigten Strombegrenzungsvorrichtung.
Eine Wechselstromquelle 1 ist in Reihe zu einem Schalter 3, einer Last 2 und der Strombegrenzungsvorrichtung 20 dieser Ausführungsform geschaltet. Die Strombegrenzungsvorrichtung 20 weist eine supraleitende Strombegrenzungsspule 22 auf, welche um einen Spulenkörper 21 gewickelt ist, wobei die supraleitende Strombegrenzungsspule 22 einen vorgegebenen kritischen Stromwert Ic1 hat, der größer ist als ein Überstrom, der während des Strombegrenzungsbetriebs noch zulässig fließen darf. Zwei seriell angeschlossene Triggerspulen 24a und 24b sind koaxial um die Strombegrenzungsspule 22 herum gewickelt, und ein Wärmeisolationsschirm 23 ist zwischen diesen eingefügt. Eine Wiederherstellungsspule 25 ist koaxial um die Triggerspulen 24 gewickelt. Der Wärmeisolationsschirm 23 isoliert die Strombegrenzungsspule 22 thermisch von den Triggerspulen 24a und 24b und der Wiederherstellungsspule 25. Ein normalerweise geschlossener Triggerschalter 26 ist in Reihe zu den seriell verbundenen Triggerspulen 24a und 24b geschaltet, und ein normalerweise geöffneter Wiederherstellungsschalter 27 ist in Reihe zu der Wiederherstellungsspule 25 geschaltet. Diese beiden Reihenschaltungen sind parallel zu der Strombegrenzungsspule 22 geschaltet.
In Fig. 5 sind die Wicklungsrichtungen und Verbindungen der Spulen dargestellt, die Strombegrenzungsspule 22 ist als eine einfache Reaktanzspule mit einer vorgegebenen Induktivität gewickelt, während die Triggerspulen 24a und 24b und die Widerherstellungsspule 25 jeweils als nicht induktive Wicklungen unter Verwendung von Ayrton-Perry-Wicklungen gewickelt sind, wobei zwei Spulen parallel und in entgegengesetzte Richtung zueinander gewickelt sind.
Ein Löschdetektor oder Quenschdetektor 28 ist über der Strombegrenzungsspule 22 angeschlossen, um ein Quenschen der Triggerspule und einen Strombegrenzungsvorgang durch die Strombegrenzungsspule zu erfassen. Ein Ausgangssignal des Quenschdetektors 28 wird an den Triggerschalter 26 weitergegeben, der nach dem Strombegrenzungsvorgang geöffnet wird.
Der Quenschdetektor 28 erfaßt insbesondere, daß die Strombegrenzungsvorrichtung in einem normalen Zustand ist, wenn die Spannung über der Strombegrenzungsspule wesentlich niedriger als die Versorgungsspannung ist, und er erfaßt, daß die Triggerspulen 24a und 24b gequenscht haben und in einem Strombegrenzungszustand sind, wenn der Spannungsabfall über der Strombegrenzungsspule gleich oder größer als ein vorgegebener Wert ist.
Als ein supraleitender Draht für die Triggerspule kann beispielsweise ein Wechselstromdraht auf der Basis von NbTi verwendet werden.
Im folgenden ist der Betrieb der Strombegrenzungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben.
Fig. 7 zeigt ein Diagramm der Veränderung des Stromes in der Strombegrenzungsvorrichtung gemäß der in Fig. 4 bis 6 gezeigten Ausführungsform, und Fig. 8 zeigt ein Diagramm einer Veränderung der Impedanz beim Schaltbetrieb.
Es sei angenommen, daß der Schalter 3 eingeschaltet worden ist, um Strom einzuspeisen, und daß der gesamte Strom i0 ist, ein durch die Strombegrenzungsspule fließender Strom iL ist, ein durch die Triggerspulen 24a und 24b fließender Strom it1 ist und ein durch die Wiederherstellungsspule 25 fließender Strom it2 ist.
Während des Normalbetriebs, wenn der Strom in der Schaltung geringer ist als der kritische Stromwert der Triggerspulen, bleibt der Triggerschalter 26 geöffnet, und der Wiederherstellungsschalter 27 bleibt geschlossen, so daß fast der gesamte Strom i0 durch die nicht induktiven Triggerspulen 24a und 24b fließt. Daraus ergibt sich, daß die Impedanz der Triggerspulen den seriellen Streureaktanzkomponenten entspricht, welche sehr klein sind. Die Strombegrenzungsvorrichtung dieser Ausführungsform ist daher im wesentlichen nicht induktiv und hat einen Widerstandswert von null (Supraleitung) während des Normalbetriebs.
Es tritt also nur ein geringer Spannungsabfall über der Strombegrenzungsvorrichtung auf, wobei der Spannungsabfall dem Produkt aus der Restinduktivität der Triggerspulen 24a und 24b und dem durch diese fließenden Strom it1 entspricht, so daß ohne irgendwelche praktischen Schwierigkeiten Leistung zur Last gespeist wird.
Wenn eine Störung aufgrund eines Kurzschlusses der Last 2 auftritt, wird ein Kurzschlußstrom in der Schaltung erzeugt, welcher einen Spitzenwert If annimmt. Wenn der durch die Triggerspule fließende Strom jedoch deren kritischen Stromwert Ic1 überschreitet, quenschen die Triggerspulen 24a und 24b und werden zu normalen leitenden Bauteilen mit einem hohen Widerstandswert. Der durch die Triggerspulen 24a und 24b fließende Strom nimmt daher sehr schnell ab, und fast der gesamte Strom wird zu der Strombegrenzungsspule 22 übertragen. Die Strombegrenzungsvorrichtung hat daher eine Impedanz, die einem Produkt aus ω (2πf) und der Induktivität der Strombegrenzungsspule entspricht, um so den Kurzschlußstrom zu unterdrücken. Diese Impedanz wird durch das Induktionsphänomen von dem supraleitenden Bauteil erzeugt und sie hat keinen Widerstandswert und erzeugt keine Wärme. Die Gesamtimpedanz der Strombegrenzungsspule 22, der Triggerspulen 22a und 22b und der Widerherstellungsspule 25 während des Strombegrenzungsbetriebs ist in Fig. 7 dargestellt. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, wird die Impedanz während des Strombegrenzungsbetriebes groß.
Wenn die Triggerspulen 24a und 24b quenschen, fließt ein großer Strom durch die Strombegrenzungsspule 22, und die Spannung über dieser nimmt sehr schnell zu. Dieser Spannungsanstieg wird von dem Quenschdetektor 28 erfaßt. Das Ausgangssignal des Quenschdetektors 28 wird an den Triggerschalter 26 übergeben, um diesen zu öffnen. Der Triggerschalter 26 wird geöffnet um die folgenden Schwierigkeiten zu beseitigen. Selbst wenn fast der gesamte Strom zu der Strombegrenzungsspule übertragen wird, fließt nämlich noch immer ein sehr kleiner Strom durch die Triggerspulen 24a und 24b, so daß Joule'sche Wärme erzeugt wird, welche das Kühlmittel für die supraleitende Spule, wie sehr teures flüssiges Helium, verdampft.
Es gibt den Fall, daß ein versehentlich aufgetretener Überstrom sofort von selbst behoben wird, oder daß ein Störfall von dem System selbst beseitigt wird, um den Normalzustand wiederherzustellen. Wenn eine solche Wiederherstellung auftritt, ist es wünschenswert, daß die Strombegrenzungsvorrichtung so schnell wie möglich zu ihrem Normalbetrieb zurückkehrt. In einem solchen Fall wird der Wiederherstellungsschalter 27 geschlossen, um die Wiederherstellungsspule 25 parallel zur Strombegrenzungsspule 22 anzuschließen. Dieser Schließvorgang kann manuell von einer Bedienungsperson durchgeführt werden, oder er kann bei Empfang eines Befehls von einer Steuervorrichtung durchgeführt werden, welche die Wiederherstellung nach der Störung überwacht.
Die Wiederherstellungsspule 25 ist nicht induktiv und, wie vorher beschrieben, in einem supraleitenden Zustand, so daß fast der gesamte durch die Strombegrenzungsspule 22 fließende Strom zur Wiederherstellungsspule 25 übertragen wird, woraus eine niedrige Impedanz der Strombegrenzungsvorrichtung resultiert.
Die Wiederherstellungszeit der Triggerspulen 24a und 24b in den supraleitenden Zustand liegt in der Größenordnung von einigen Sekunden. Durch eine Bestätigung, daß die Triggerspulen 24a und 24b den supraleitenden Zustand wiedergewonnen haben, nach dem Verstreichen dieser Wiederherstellungszeit, wird der Triggerschalter 26 geschlossen, und der Wiederherstellungsschalter 27 wird wieder geöffnet, so daß die Strombegrenzungsvorrichtung ihren Normalzustand wieder einnimmt.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer dritten Ausführungsform der Strombegrenzungsvorrichtung dieser Erfindung. Die Struktur dieser Ausführung ist teilweise der in Fig. 4 gezeigten ähnlich. Dieselben Elemente, die auch in Fig. 4 gezeigt sind, werden unter Verwendung derselben Bezugszeichen wiedergegeben, und diese Elemente werden nicht mehr im einzelnen beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform sind drei Triggerspulen 24a, 24b und 24c in einer Mehrschichtstruktur gewickelt. Die Triggerspulen 24a bis 24c und ein Schalter 26 sind in Reihe geschaltet, und diese Reihenschaltung ist parallel zu einer Strombegrenzungsspule 22 angeschlossen. Der Schalter 26 ist normalerweise geschlossen, und er wird von einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) gesteuert, so daß er sofort geöffnet wird, wenn eine vorgegebene Spannung über der Strombegrenzungsspule 26 erzeugt wird.
Fig. 10 zeigt die Wicklungsrichtungen und Verbindungen der Spulen der Strombegrenzungsvorrichtung von Fig. 9. Die Triggerspulen 24a bis 24c sind unter Verwendung der oben beschriebenen AP-Wicklung gewickelt.
Als supraleitender Draht für die Triggerspule kann beispielsweise ein Wechselstromdraht auf der Basis von NbTi verwendet werden. Dieser supraleitende Draht hat eine extrem hohe scheinbare Ausbreitungsgeschwindigkeit der Stromlöschung (Quenschen).
Fig. 11 zeigt ein Diagramm eines Beispiels einer gemessenen Löschungsausbreitungsgeschwindigkeit bei einem supraleitenden NbTi-Wechseistromdraht mit einem Durchmesser von 0,1 mm. Obwohl die scheinbare Löschungsausbreitungsgeschwindigkeit 6 km/sek ist, wurden die folgenden Punkte aus den Meßergebnissen herausgefunden. Die Löschung (Quenschen) bereitet sich nämlich nicht thermisch von einem bestimmten Punkt her aus, sondern es gibt schon vorher eine Anzahl von Quenschkeimen in einem supraleitenden Draht der Spule, wobei die Anzahl der Quenschpunkte proportional zu di/dt des Wechselstroms zunimmt, und die scheinbare Löschungsausbreitungsgeschwindigkeit der Spule wächst. In der Praxis ist es schwierig, einen supraleitenden Draht herzustellen, welcher über seine gesamte Länge den selben kritischen Stromwert aufweist. Der kritische Stromwert ändert sich normalerweise bei verschiedenen örtlichen Positionen des Drahtes. Die Position mit einem niedrigen kritischen Stromwert wird ein Quenschkeim. Einer der Gründe für das Phänomen, daß die Löschungsausbreitungsgeschwindigkeit zunimmt, ist ein extrem großes di/dt (Verhältnis der Stromzunahme pro Zeiteinheit), das spezifisch für einen Wechsel-Kurzschlußstrom ist. Wenn nämlich in der Spule eine Teillöschung auftritt, nimmt der Widerstandswert in diesem Gebiet zu, um den Strom zu unterdrücken, so daß sich das Quenschgebiet daraufhin nur thermisch ausdehnt. Da jedoch ein Kurzschlußstrom ein di/dt hat, das 50 bis 100 mal größer ist als das eines normalen Stromes, tritt selbst nach dem Auftreten der ersten Löschung keine Stromdämpfung auf. Die Löschung tritt daher in mehreren Gebieten (Keimen) im wesentlichen zur selben Zeit auf. Die obigen Phänomene überlagern sich, so daß die gesamte Spule auf einmal ein Körper mit hohem Widerstandswert wird, und fast der gesamte Strom wird sofort zu der Strombegrenzungsspule übertragen.
Wie oben beschrieben, können bei Anlegen eines größeren di/dt als dem des kritischen Stromwertes an mehrere Triggerspulen, welche aus supraleitenden Drähten hergestellt sind, alle in Reihe geschalteten Triggerspulen im wesentlichen zur selben Zeit quenschen.
Der Betrieb der Strombegrenzungsvorrichtung dieser Ausführungsform ist im folgenden beschrieben.
Fig. 12 und 13 sind Diagramme, die eine Veränderung des Stromwertes und der Impedanz während des Normalbetriebs und während des Strombegrenzungsbetriebs der in den Fig. 9 und 10 gezeigten Strombegrenzungsvorrichtung darstellen. Fig. 12 zeigt den Gesamtstrom i0, einen durch die Triggerspulen 24a bis 24c fließenden Strom i1, einen durch die Strombegrenzungsspule fließenden Strom i2, einen kritischen Strom Ic1 der Strombegrenzungsspule 22 und den Gesamtstrom If (geschätzter Kurzschlußstrom) an einer kurzgeschlossenen Last, wenn die Strombegrenzungsvorrichtung nicht angeschlossen ist. Fig. 13 zeigt eine Impedanz Zsc der Strombegrenzungsvorrichtung während des Normalbetriebs, eine Impedanz Zsc' während des Strombegrenzungsbetriebs und eine Leitungsimpedanz Zl.
Mit Bezug auf Fig. 9, wird während des Normalbetriebs der Schaltung der Gesamtstrom i0 auf einen Wert gedrückt, der geringer ist als der kritische Strom Ic1 der Triggerspulen 24a bis 24c, und fast der gesamte Strom fließt durch die nicht induktiven Triggerspulen 24a bis 24c. Es wird daher eine sehr geringe Spannung über der Strombegrenzungsspule erzeugt, die dem Produkt aus der Streuinduktivität der Triggerspulen 24a bis 24c und dem Gesamtstrom entspricht, so daß der Schalter 26 geschlossen bleibt, um so Spannung und Strom zur Last 2 zu speisen.
Wenn ein Kurzschluß an der Last auftritt, fließt ein Kurzschlußstrom durch die Schaltung. Wenn der Kurzschlußstrom den kritischen Wert (Ic1) der Triggerspulen überschreitet, quenschen diese im wesentlichen zur selben Zeit und gehen mit extrem hoher Geschwindigkeit in einen Körper mit hohem Widerstandswert über, wie in Fig. 11 gezeigt. Fast der gesamte Strom, welcher durch die Triggerspulen 24a bis 24c gegangen ist, wird zu der Strombegrenzungsspule 22 übertragen. Daraus ergibt sich, daß aufgrund der Reaktanzspulen- oder Drosselspulenfunktion der Strombegrenzungsspule 22 der Kurzschlußstrom unterdrückt wird, wie in Fig. 12 gezeigt. Zur selben Zeit wird eine gewisse Spannung über der Strombegrenzungsspule 22 erzeugt. Wenn ein vorgegebener Spannungspegel eingestellt ist, wird der Schalter 26 durch die Schalter-Steuervorrichtung (nicht gezeigt) geöffnet, um den durch die Triggerspulen 24a bis 24c fließenden Strom zu unterbrechen. Da die Strombegrenzungsspule 22 so aufgebaut ist, daß sie einen Strombegrenzungs-Spitzenwert aufweist, der über dem kritischen Stromwert Ic2 liegt, bleibt sie im supraleitenden Zustand, so daß nach dem Öffnen des Schalters 26 keine Verluste erzeugt werden. Zusätzlich kehren die Triggerspulen 24a bis 24c nach dem Verstreichen einer vorgegebenen Kühlphase, nachdem der Schalter 26 geöffnet worden ist, in ihren supraleitenden Zustand zurück. Die Strombegrenzungsvorrichtung kann daher in den Normalzustand zurückgeführt werden, indem lediglich der Schalter 26 geschlossen wird, nachdem der anormale Zustand beseitigt worden ist.
Bei dieser Ausführungsform, bei der mehrere in Reihe geschaltete Triggerspulen 24a bis 24c verwendet werden, kann die Anzahl der Triggerspulen verändert werden, während nach Bedarf die Restinduktivität minimal gemacht wird und der Widerstandswert während des Quenschens erhöht wird. Der von den Triggerspulen erzeugte Verlust Psc während des Strombegrenzungsbetriebs wird wie folgt ausgedrückt:
Psc E²/RN
wobei E eine Schaltungsspannung (V) ist, R ein Widerstand (Ω) der Triggerspulen während des Quenschens ist und N die Anzahl der in Reihe geschalteten Triggerspulen ist. Der Verlust kann daher auf einen Wert gesenkt werden, welcher umgekehrt proportional zur Anzahl der in Reihe geschalteten Triggerspulen ist.
Bei der zweiten und der dritten Ausführungsform ist die Strombegrenzungsspule unter den Triggerspulen angeordnet. Umgekehrt kann die Strombegrenzungsspule auch über den Triggerspulen angeordnet werden, wobei dieselben vorteilhaften Wirkungen erhalten werden.
Ferner sind bei den Ausführungsformen die Triggerspulen und die Strombegrenzungsspule koaxial übereinander angeordnet. Sie können auch bei unterschiedlichen Positionen längs des Spulenkörpers angeordnet werden. Ferner kann anstelle der Strombegrenzungsspule ein supraleitendes Impedanz-Bauteil verwendet werden.
Darüberhinaus sind in den Ausführungsbeispielen drei Triggerspulen verwendet. Die Anzahl von Triggerspulen kann willkürlich gewählt werden.
Schließlich kann auch der Schalter innerhalb des Tieftemperatur-Behälters untergebracht werden, anstatt ihn in einem Bereich mit Raumtemperatur außerhalb des Tieftemperatur-Behälters anzubringen.

Claims

1. Supraleitende Strombegrenzungsvorrichtung zum Unterdrükken eines Überstromes in einem Strompfad, mit mehreren ersten supraleitenden Spulen (11; 24a, 24b, 24c) (Triggerspulen), welche in Reihe geschaltet sind und einen ersten kritischen Stromwert haben,

einer Strombegrenzungsvorrichtung (12; 22) mit einer optionalen Induktivität und einem zweiten kritischen Stromwert, der größer ist als der der ersten supraleitenden Spulen, und mit einer zweiten supraleitenden Spule, die einen größeren kritischen Stromwert als die ersten supraleitenden Spulen hat,

einer normalerweise geschlossenen, ersten Schaltvorrichtung (18; 26), welche in Reihe zu den ersten supraleitenden Spulen geschaltet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungsvorrichtung (12; 22) so aufgebaut ist, daß sie eine magnetomotorische Kraft mit im wesentlichen derselben Intensität wie die und in entgegengesetzter Richtung zu der ersten supraleitenden Spule (18) erzeugt, daß die erste Schaltvorrichtung (18; 26) ein auf Magnetismus ansprechender Schalter ist, welcher abhängig von einer Veränderung eines von der zweiten supraleitenden Spule (12) erzeugten magnetischen Feldes anspricht und abhängig von einer Strombegrenzungs-Funktion der zweiten supraleitenden Spulenvorrichtung geöffnet werden kann, und daß eine Reihenschaltung aus den ersten supraleitenden Spulen (12; 24a, 24b, 24c) und der ersten Schaltvorrichtung (18; 26) parallel zu der zweiten supraleitenden Spule (12; 22) geschaltet ist.

2. Supraleitende Strombegrenzungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der auf Magnetismus ansprechende Schalter (18) innerhalb des Magnetfeldes angeordriet ist, welches von der zweiten supraleitenden Spule (12) erzeugt wird.

3. Supraleitende Strombegrenzungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die ersten supraleitenden Spulen und die zweite supraleitende Spule koaxial zueinander angeordnet sind.

4. Supraleitende Strombegrenzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Strombegrenzungsvorrichtung (22) ferner eine Löschungs-Detektorvorrichtung (28) zum Erfassen einer Löschung der ersten supraleitenden Spulen (24a, 24b) aufweist, und die erste Schaltvorrichtung (26) abhängig von der Erfassung der Löschung der ersten supraleitenden Spulen von der Löschungs-Detektorvorrichtung (28) geöffnet werden kann.

5. Supraleitende Strombegrenzungsvorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Strombegrenzungsvorrichtung (22) ein normal leitendes Impedanzglied ist.

6. Supraleitende Strombegrenzungsvorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Strombegrenzungsvorrichtung ferner folgende Merkmale aufweist:

eine dritte supraleitende Spule (25), die nicht-induktiv gewickelt ist und denselben kritischen Stromwert wie die ersten supraleitenden Spulen (24a. 24b) hat, und

eine normalerweise geöffnete, zweite Schaltvorrichtung (27), die in Reihe mit der dritten supraleitenden Spule (25) geschaltet ist, wobei die zweite Schaltvorrichtung (27) nach einer Strombegrenzungs-Operation geschlossen ist,

wobei eine Reihenschaltung aus der dritten supraleitenden Spule (25) und der zweiten Schaltvorrichtung (27) parallel zu dem Strombegrenzungselement (22) geschaltet ist.

7. Supraleitende Strombegrenzungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der die ersten, die zweite und die dritte supraleitenden Spulen zueinander koaxial angeordnet sind.