DE69202368T2 - Tiefkühlvorrichtung. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine kryogene Vorrichtung und eine Fehlerstrombegrenzungsvorrichtung, welche die kryogene Vorrichtung umfaßt. Derartige Vorrichtungen sind aus der EP-A-0 359 125 und EP-A-0 315 976 bekannt.
• Es ist üblich, elektrische Leistungsverteilungssysteme gegen Kurzschlüsse oder andere Überlastungsursachen zu schützen. Schaltungsunterbrecher werden zu diesem Zweck in Verbindung mit geeigneten Mitteln zur sofortigen Wahrnehmung einer Überlastung verwendet. Die Schaltungsunterbrecher umfassen typischerweise relativ schwere und sich langsam bewegende mechanische Teile. Demgemäß weisen erhältliche Schaltungsunterbrecher eine Zeitverzögerung entsprechend der Dauer von ein paar Zyklen einer Wechselstromversorgung von 50 Hertz auf. Selbst in einer derartigen kurzen Zeitperiode kann die Überlastung eine Beschädigung des elektrischen Geräts am Ende der Leistungsübertragungsleitung verursachen. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß der Schaltungsunterbrecher selbst durch einen Kurzschlußstrom beschädigt wird, so daß er versagt, ohne den Schaltkreis zu unterbrechen. Ein beträchtlicher Schaden kann dann dem Gerät am Ende der Leistungsübertragungsleitung zugeführt werden. Eine allgemein bekannte Möglichkeit zur raschen Reduzierung eines Kurzschlußstromes ist es, ein Strombegrenzungselement in Reihe mit einen Schaltungsunterbrecher zu schalten. Derartige Vorrichtungen, die "Fehlerstrombegrenzer" genannt werden, sind dafür bekannt, eine Vereinfachung des Aufbaus des Schaltungsunterbrechers möglich zu machen. Verschiedene Arten von Fehlerstrombegrenzern sind bekannt, einschließlich solchen, die auf der Verwendung eines Supraleiters und eines parallelen strombegrenzenden Widerstands oder Blindwiderstands basieren.
• Ein Aufsatz in dem Journal of Applied Physics, 49(4), April 1978, Seiten 2546 bis 2550 von K.E. Gray und D. Fowler mit dem Titel "A Superconducting Fault Current Limiter" beschreibt eine derartige Vorrichtung. Der Betrieb der Vorrichtung hängt von der Erzeugung eines Magnetfeldes ab, welches sich teilweise mit der magnetischen Flußdichte um den Leiter herum ändert. Die Vorrichtung wird ausführlich in der EP-A-0 345 767 diskutiert, die sich zu ihrere Komplexität und der Tatsache äußert, daß sie drei separate Parameter einsetzt, nämlich Temperatur, Stromdichte und magnetische Flußdichte, um die gewünschte Strombegrenzung zu erzielen. Die EP-A-0 345 767 selbst betrifft einen supraleitenden Fehlerstrombegrenzer, in welchem lediglich die kritische Stromdichte verwendet wird, um zu bewirken, daß ein supraleitfähiges Material von dem supraleitenden in den nicht-supraleitenden Zustand übergeht.
• Um eine Fehlerstrombegrenzungsvorrichtung einer Art, die einen Supraleiter umfaßt, optimieren zu können, besteht ein Bedarf nach einem einfachen Mittel, um das Auswählen der kritischen Stromdichte eines gegebenen Supraleiters aus einem Bereich von Werten zu ermöglichen. Es ist ein Ziel der Erfindung, diesen Bedarf oder einen analogen Bedarf zu decken, der bei dem Betrieb einer supraleitenden Vorrichtung einer anderen Art entsteht.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung mit einem kryogenen Gefäß zum Halten eines Supraleiters in einem Volumen kryogener Flüssigkeit geschaffen, worin dem Gefäß Mittel zugeordnet sind, die den Druck innerhalb des Leerraumes des Gefäßes auf einen gewählten Wert einstellen. Die Erfindung schafft außerdem eine Fehlerstrombegrenzungsvorrichtung, welche das Gefäß und die Druckeinstellmittel umfaßt.
• Die Mittel zum Einstellen des Drucks können beispielsweise einen Druckregulator umfassen. Alternativ können die Mittel zum Einstellen des Drucks ein Ein-Aus-Ventil umfassen, das wirksam einem Drucksensor zugeordnet ist, der so angeordnet ist, daß er den Druck in dem Gefäß wahrnehmen kann.
• Das Druckeinstellmittel ist vorzugsweise manuell einstellbar, ohne auseinandergenommen zu werden, um den gewählten Druck einzustellen.
• Ein oder mehrere einer Anzahl verschiedener Vorteile können, wie wir glauben, durch die Verwendung eines Gefäßes gemäß der vorliegenden Erfindung als Teil eines Fehlerstrombegrenzers realisiert werden. Erstens schafft die Fähigkeit zur Einstellung des Betriebsdrucks die Fähigkeit zur Einstellung der kritischen Stromdichte innerhalb gegebener Grenzen gemäß den Charakteristiken eines gegebenen Supraleiters. Diese Fähigkeit zur Einstellung der kritischen Stromdichte entsteht aus der Temperaturabhängigkeit der kritischen Stromdichte, wobei der Betriebsdruck des kryogenen Gefäßes die Temperatur, bei der die kryogene Flüssigkeit siedet, und daher die Betriebstemperatur des Supraleiters bestimmt. Wenn ein Hochtemperatursupraleiter verwendet wird und die kryogene Flüssigkeit flüssiger Stickstoff ist, wird im allgemeinen ein Betrieb bei unterhalb des Umgebungsdruck und insbesondere bei einem Druck in dem Bereich von 10 bis 100 Torr bevorzugt. Mit zunehmender kritischer Stromdichte reduziert sich die Masse des supraleitenden Materials, welche eingesetzt werden muß, um einen gegebenen Strom zu führen, wodurch die Herstellung des Supraleiters vereinfacht wird. Somit stellt die Fähigkeit zur Einstellung des Drucks in dem Gefäß einen wichtigen Vorteil dar. Der zweite Vorteil besteht darin, daß es schwierig ist, die präzisen Eigenschaften (beispielsweise Variation der kritischen Stromdichte mit dem Druck des kryogenen Dampfes im Leerraum) irgendeines gegebenen Stücks eines Supraleiters aus der Theorie vorherzusagen. Demgemäß können zwei Stücke eines gegebenen supraleitenden Materials, obwohl sie nominell identisch sind, eine gegebene kritische Stromdichte bei unterschiedlichen Temperaturen (und daher Druck des kryogenen Dampfes in dem Leerraum) aufweisen. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht die Einstellung des optimalen Drucks für jedes besondere Stück supraleitenden Materials. Drittens besteht eine Tendenz für den Supraleiter zur Alterung, mit dem Ergebnis, daß irgendeine, im allgemeinen kleine Variation in seinen Eigenschaften mit der Zeit vorhanden ist. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht, daß Einstellungen für den Betriebsdruck so durchgeführt werden, daß irgendeine Variation in der Temperaturabhängigkeit der kritischen Stromdichte berücksichtigt wird. Viertens ermöglicht die Vorrichtung gemäß der Erfindung, daß die gewählte kritische Stromdichte gemäß irgendeiner Änderung in der Last auf der Leistungsleitung geändert wird.
• Es ist wünschenswert, gleichförmige Bedingungen innerhalb eines Bades der kryogenen Flüssigkeit in dem Gefäß aufrechtzuerhalten während der Supraleiter als solcher wirksam ist. Vorzugsweise wird daher das Niveau von kryogener Flüssigkeit in dem Bad mittels eines Niveaudetektors konstant gehalten, der wirksam einem Ventil zugeordnet ist, welches die Strömung von kryogener Flüssigkeit in das Gefäß hinein steuert. In das Bad ist vorzugsweise außerdem ein Bauteil eingetaucht, welches eine Oberfläche für einen gesteigerten Wärmetransfer aufweist, die das Blasensieden fördert. Eine derartige Oberfläche ist in unserer Europäischen Patentanmeldung 0 303 493 A beschrieben. Gegebenenfalls kann die Oberfläche auf dem Supraleiter selbst oder auf einem Blindbauteil vorgesehen sein, das in die kryogene Flüssigkeit eingetaucht ist. Durch Fördern des Blasensiedens wird der Überhitzungsgrad, der erfoderlich ist, um das Sieden der kryogenen Flüssigkeit zu initiieren, minimal gehalten (typischerweise weniger als 2 K für flüssigen Stickstoff). Es muß nichts desto weniger bedacht werden, daß das Phänomen des Überhitzens, das heißt, die Differenz zwischen der Siedetemperatur des verflüssigten Gases und der 'Wand'-Temperatur, die benötigt wird, um das Sieden zu initiieren, darin resultiert, daß die tatsächliche Temperatur des Supraleiters, wenn das Sieden beginnt, etwas oberhalb derjenigen des verflüssigten Gases selbst liegt. Somit wird die präzise Beziehung zwischen der kritischen Stromdichte des Supraleiters und des Drucks des kryogenen Dampfes in dem Leerraum des Gefäßes von dem Überhitzungsgrad beeinflußt, der in der Praxis auftritt. Diese Beziehung kann jedoch empirisch für eine Anzahl verschiedener Drücke bestimmt werden, und der gewählte Druckwert kann im Licht dieser empirischen Bestimmung ausgewählt werden. Es ist wünschenswert, auch die Auswirkungen irgendeiner Schichtung der kryogenen Flüssigkeit minimal zu halten. (Mit 'Schichtung' ist eine Variation in der Temperatur der kryogenen Flüssigkeit mit der Tiefe gemeint.) Demgemäß wird ein länglicher Supraleiter vorzugsweise im allgemeinen horizontal angeordnet. Gegebenenfalls kann das Bad von kryogener Flüssigkeit mit einem Rührer versehen sein, um einen Schutz gegen das Auftreten der Tendenz zur Schichtung zu bieten. Eine andere Alternative ist der Einsatz einer Pumpe, um kontinuierlich kryogene Flüssigkeit zu und von dem Gefäß zu zirkulieren.
• Es ist außerdem wünschenswert, das "Hineinlecken von Wärme" in das Bad zu begrenzen während der Supraleiter als solcher wirksam ist. Demgemäß ist das Gefäß vorzugsweise vakuumisoliert. Das Gefäß kann aus irgendeinem Material hergestellt sein, das üblicherweise zur Herstellung vakuumisolierter Gefäße verwendet wird. Wenn das Material elektrisch leitend ist, dann sollte darauf achtgegeben werden, sicherzustellen, daß der Supraleiter und seine Leitungen richtig von den Wänden des Gefäßes elektrisch isoliert sind.
• Die Leitungen zu dem Supraleiter verlaufen vorzugsweise durch eine Röhrenleitung oder Röhrenleitungen, durch welche im Betrieb verdampfte kryogene Flüssigkeit aus dem Gefäß hinaus gelangt. Ein derartiges Dampfgas ist somit in der Lage, Wärme von den Leitungen wegzuführen. Wenn das Gefäß bei einem subatmosphärischen Druck betrieben und die Quelle der kryogenen Flüssigkeit auf atmosphärischem oder einem überatmosphärischen Druck gehalten wird, dann wird ein bedeutendes Volumen an Flashgas auf die Einführung kryogener Flüssigkeit in das Gefäß hin erzeugt. Gegebenenfalls kann ein Zwischengefäß eingesetzt werden, um kryogene Flüssigkeit zu halten, wobei ein derartiges Zwischengefäß bei im wesentlichen demselben Druck wie das Gefäß gemäß der Erfindung betrieben wird, wodurch zumindest das meiste des Flashgases in dem Zwischengefäß erzeugt wird und daher den Betrieb des Gefäßes gemäß der Erfindung nicht beeinflußt.
• Wenn der Supraleiter normal wird, gibt es eine große sofortige Entwicklung von Wärme, die einen lokalen Anstieg in der Temperatur von wenigstens einigen Grad K verursachen kann. Es gibt somit eine plötzliche Entwicklung von Dampf. Derartiger Dampf kann vorübergehend ein Ansteigen des Betriebsdrucks in dem Gefäß verursachen. Es ist daher wünschenswert, daß das Gefäß gemäß der Erfindung so entworfen ist, daß es leicht mit einer derartigen plötzlichen Entwicklung von Dampf zurechtkommen kann, indem es einen geeignet entworfenen Auslaß oder Auslässe für den Dampf aufweist. Gegebenenfalls kann eine Vielzahl von Vakuumpumpen eingesetzt werden, um eine rasche Entfernung des Dampfer sicherzustellen, wenn das Gefäß bei subatmosphärischem Druck betrieben wird.
• Der Supraleiter ist vorzugsweise ein Supraleiter mit einer hohen kritischen Temperatur. Es sind solche Materialien besonders bevorzugt, die bei Flüssigstickstoff-Temperaturen supraleitend sind. Die am meisten bevorzugten Supraleiter sind diejenigen, die relativ große Ströme führen können. Eine Auswahl von Hochtemperatursupraleitern wird in "Low Temperature Technology", Band 1, 4. November 1990, in einem Aufsatz von W.Y. Liang mit dem Titel "Progress in High Tc Superconductors", Seiten 17 bis 20 diskutiert. Unter den in diesem Aufsatz aufgelisteten Supraleitern ist der BiSrCaCuO- Supraleiter besonders bevorzugt, weil er relativ große Ströme bei relativ hohen Stromdichten führen kann.
• Viele Leistungsübertragungsleitungen basieren auf einer 3-Phasen-Wechselstromquelle. Vorzugsweise ist jeder Phase ihr eigener Fehlerstrombegrenzer gemäß der Erfindung zugeordnet.
• Ein Gefäß und ein Fehlerstrombegrenzer gemäß der Erfindung werden nun beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• Figur 1 ein nicht maßstabsgerechter schematischer Seitenaufriß eines Gefäßes gemäß der Erfindung ist, und
• Figur 2 ein Schaltungsdiagramm eines Fehlerstrombegrenzers ist, der in der Lage ist, das in Figur 1 gezeigte Gefäß einzusetzen.
• Nach Figur 1 der Zeichnungen weist ein vakuumisoliertes Gefäß 2, dessen Wände aus Glasfasern oder einem anderen geeigneten Material gebildet sind, einen Verschluß 4 auf und enthält ein Volumen 6 flüssigen Stickstoffs. Ein Leerraum 8 ist in dem Gefäß 2 zwischen der Oberfläche des flüssigen Stickstoffs und dem Verschluß 4 vorgesehen. In dem Verschluß 4 ist ein Auslaß 10 ausgebildet. Der Auslaß 10 kommuniziert mit einer Röhrenleitung 12, in der ein manuell einstellbarer Rückstauregulator 14 angeordnet ist, der für einen Betrieb bei unterhalb der Umgebungstemperatur geeignet ist. Ein geeigneter Regulator 14 zur Verwendung in der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist ein Vakuumregulator der Serie Tescom (TM) H732 (44-3000), der von der Pressure Controls Division von Tescom, Minnesota, USA erhältlich ist. Stromabwärts des Regulators 14 befindet sich eine Vakuumpumpe 16. Die Röhrenleitung 12 ist typischerweise mit einer Biegung 18 ausgebildet. Normalleitende Kupferleitungen 20 erstrecken sich von außerhalb der Röhrenleitung 12 und des Gefäßes 2 durch die Wand der Röhrenleitung 12 in dem Bereich der Biegung 18 in das Gefäß 2 selbst hinein und enden in einem länglichen, horizontal angeordneten Körper 22 aus einem Material, welches eine nichtleitfähige Keramik umfaßt, die eine dünne Beschichtung oder Beschichtungen aus einem hochtemperatursupraleitenden Material trägt, der vollständig in das Volumen 6 flüssigen Stickstoffs eingetaucht ist. Das Ausmaß, in dem sich die Leitungen 20 in das Volumen flüssigen Stickstoffs hinein erstrecken, wird vorzugsweise minimal gehalten. Der Körper 20 kann mit einer porösen Oberfläche für einen gesteigerten Wärmetransfer versehen sein, die das Blasensieden fördert. Eine derartige Oberfläche kann durch Aufbringen eines geeigneten Materials auf den Supraleiter gebildet werden, indem beispielsweise die in unserer Europäischen Patentanmeldung 0 303 493 A beschriebene Prozedur benutzt wird.
• Der Verschluß 4 des Gefäßes 2 ist vorzugsweise mit einem zweiten Auslaß 24 versehen, der mit einem Druckentlastungsventil 26 kommuniziert, welches so eingestellt ist, daß es sich im Fall der Erzeugung eines Überdrucks in dem Gefäß 2 öffnet. Ein Flüssigkeitsfüllrohr 28 verläuft durch den Verschluß 4 und endet an dem einen Ende an einer gewählten Stelle innerhalb des Gefäßes 2 und an seinem anderen Ende in einer Quelle (nicht gezeigt) flüssigen Stickstoffs. In dem Rohr 28 ist ein automatisch betreibbares Absperrventil 30 angeordnet. Das Ventil 30 ist wirksam einem oder mehreren Niveausensoren 32 zugeordnet, die in einer gewählten Position im Inneren des Gefäßes 2 angeordnet sind. Die Anordnung ist derart, daß der Niveausensor oder die Niveausensoren in der Lage sind, das Vorhandensein oder das Fehlen von flüssigem Stickstoff wahrzunehmen und geeignete Signale zu liefern, die dazu verwendet werden, das Öffnen und das Schließen des Ventils 30 zu betätigen, um das Niveau von flüssigem Stickstoff in dem Gefäß 2 im wesentlichen konstant zu halten.
• Im Betrieb wird die Vakuumpumpe 16 so betrieben, daß ein Vakuum innerhalb des Leerraumes 8 des Gefäßes 2 erzeugt wird. Der Rückstauregulator 14 bewirkt, daß dieser Druck im wesentlichen konstant gehalten wird. Der Druck in dem Leerraum 8 bestimmt die Temperatur, bei welcher der flüssige Stickstoff siedet. Da diese Temperatur deutlich unter der Umgebungstemperatur liegt, neigt der flüssige Stickstoff dazu, an seinem Siedepunkt zu liegen. Demgemäß hängt die Temperatur, welcher der Supraleiter 22 ausgesetzt ist, von dem Druck in dem Leerraum 8 ab. Dieser Druck kann durch geeignete Einstellung des Rückstauregulators 14 ausgewählt werden. Demgemäß kann die Temperatur, welcher der Supraleiter 22 ausgesetzt ist, durch geeignetes Einstellen des Rückstauregulators 14 ausgewählt werden. Diese Temperatur bestimmt ihrerseits die tatsächliche kritische Stromdichte des Supraleiters 22. Gegebenenfalls kann somit ein Graph des Betriebsdrucks gegen die kritische Stromdichte aus Messungen der kritischen Stromdichte eines besonderen Supraleiters bei verschiedenen Drücken gezeichnet und dann der Betriebsdruck (d. h. der Druck in dem Leerraum 8) ausgewählt werden, um einen optimalen kritischen Strom zu ergeben. Eine derartige empirische Bestimmung ermöglicht, daß solche Faktoren wie Überhitzung berücksichtigt werden. Der tatsächliche Betriebsdruck wird so ausgewählt, daß die tatsächliche Stromdichte, die der Supraleiter 22 führen muß, wenn der Strom normal ist (d. h. wenn es keinen Fehler gibt), den kritischen Wert oder einen Wert ein wenig darunter aufweist. Wenn ein Fehlerstrom deutlich oberhalb des normalen Stromes auftritt, steigt die Stromdichte im wesentlichen unverzüglich auf über den kritischen Wert an, und der Supraleiter 22 wird, wiederum im wesentlichen unverzüglich, zu einem Widerstand. Es gibt daher eine große Menge an Widerstandserwärmung, die ein beträchtliches Ansteigen der Verdampfungsrate von flüssigem Stickstoff bewirkt. Dies wiederum gibt Anlaß zu einer erhöhten Zufuhrrate von flüssigem Stickstoff durch das Füllrohr 28, um die erhöhte Versiederate von flüssigem Stickstoff zu kompensieren. Demgemäß kann die Temperatur in dem Volumen 6 von flüssigem Stickstoff zu ihrem Siedepunkt bei dem Betriebsdruck zurückkehren.
• In Figur 2 ist eine Fehlerstrombegrenzerschaltung gezeigt, welche die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung einsetzt. Die Schaltung umfaßt eine Phase einer Leistungsübertragungsleitung 40, entlang welcher ein herkömmlicher Schaltungsunterbrecher 42 angeordnet ist. Die Leitung 40 ist mit einer Parallelanordnung aus einem Widerstand (oder Blindwiderstand) 44 und einem Supraleiter 46 verbunden. Der Supraleiter 46 wird auf einer gewählten Temperatur und einem gewählten Druck gehalten, wie anhand Figur 1 beschrieben. Der Widerstand 44 wird auf Umgebungstemperatur gehalten. Das heißt, der Widerstand 44 befindet sich nicht innerhalb des Gefäßes gemäß der Erfindung. Wenn der Supraleiter 46 als solcher wirksam ist, fließt durch ihn der gesamte entlang der Leitung übertragene Strom. Der Wert des Widerstands 44 ist jedoch im Vergleich zu demjenigen des Supraleiters 44 in seinem Widerstandsmodus vernachlässigbar. Demgemäß fließt der gesamte Strom nun durch den Widerstand 44, welcher daher den Schutz von elektrisch mit der Leitung 40 verbundenem Gerät unterstützt. Der Sensor (nicht gezeigt), der dem Schaltungsunterbrecher 42 zugeordnet ist, bewirkt nach ein paar Zyklen des Wechselstromes, daß der Schaltungsunterbrecher betätigt wird und die Schaltung unterbricht.
• Viele Fehlerstrombegrenzungsschaltungen alternativ zu der in Figur 2 gezeigten, jedoch alle mit einem Supraleiter, können verwendet werden und sind in der frei zugänglichen Literatur beschrieben. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann in irgendeiner derartigen Fehlerstrombegrenzungsschaltung verwendet werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung mit einem kryogenen Gefäß (2) zum Halten eines Supraleiters (22) in einem Volumen (6) kryogener Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gefäß (2) Mittel (14) zum Einstellen des Drucks innerhalb des Leerraumes (8) des Gefäßes (2) auf einen gewählten Wert zugeordnet sind.

2. Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, bei der das Mittel (14) zum Einstellen des Drucks einen Rückstauregulator umfaßt.

3. Vorrichtung wie in Anspruch 1 oder Anspruch 2 beansprucht, bei der das Druckeinstellmittel (14) manuell einstellbar ist, ohne auseinandergenommen zu werden, um den gewählten Druck einzustellen.

4. Vorrichtung wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, wobei die Vorrichtung zusätzlich eine Vakuumpumpe (16) umfaßt.

5. Vorrichtung wie in Anspruch 4 beansprucht, bei der das Mittel (14) zum Einstellen des Drucks in der Lage ist, den Druck auf einen Wert in dem Bereich von 10 bis 100 Torr einzustellen.

6. Vorrichtung wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, bei der der Supraleiter (22) eingetaucht in einem Volumen (6) der kryogenen Flüssigkeit gehalten wird und die Vorrichtung zusätzlich Mittel (32) zur Aufrechterhaltung der kryogenen Flüssigkeit auf einem konstanten Niveau umfaßt.

7. Vorrichtung wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, bei der der Supraleiter (22) ein Hochtemperatursupraleiter ist.

8. Vorrichtung wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, bei der die kryogene Flüssigkeit (6) flüssiger Stickstoff ist.

9. Ein Fehlerstrombegrenzer (42) mit einer Vorrichtung wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht.

10. Eine Drei-Phasen-Wechselstromübertragungsleitung, bei der jeder Phase (40) ihr eigener Fehlerstrombegrenzer (42) wie in Anspruch 9 beansprucht zugeordnet ist.