EP2532016B1 - Vorrichtung zur strombegrenzung mit einer veränderbaren spulenimpedanz - Google Patents

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EP2532016B1
EP2532016B1 EP10805601.1A EP10805601A EP2532016B1 EP 2532016 B1 EP2532016 B1 EP 2532016B1 EP 10805601 A EP10805601 A EP 10805601A EP 2532016 B1 EP2532016 B1 EP 2532016B1
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    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F2006/001—Constructive details of inductive current limiters

Definitions

  • the present invention relates to a current limiting device with a variable coil impedance.
  • Current limiters are generally used in power engineering and in the electrical energy supply. In power engineering in general, and in particular in high-voltage engineering, it is above all current limiters which operate using choke coils on the principle of the shielded iron core or the DC biased iron core.
  • I s limiters are the current limiters designated as I s limiters.
  • the advantage of this I s -limiter is that the impedance in normal operation is negligible, but can be increased abruptly in the event of a fault. This is realized by detonators.
  • a disadvantage of this system is that the use of blasting caps after each triggering causes a maintenance operation and that it is only limitedly scalable to high voltage applications.
  • the DE 602004012035 describes, for example, a superconducting current limiter with magnetic field assisted quench. In the event of a fault, the current flowing through the superconductor leads to a critical current and the superconductor changes to the normal conducting state. According to the in the DE 602004012035 Strombeskyrs disclosed each superconductor body is connected in parallel with a coil.
  • resistive superconducting current limiters which limit the current in the event of a short circuit due to their non-linear current-voltage line.
  • a disadvantage of the latter two principles is that the power supply via suitable Medium between a room temperature environment and a cryogenic environment must be made. This leads to high thermal losses.
  • the JP H05 145128 A discloses a device for current limiting with a choke coil, a cooling device and a magnetic shield from a high temperature superconducting hollow body in the choke coil.
  • the object of the invention is therefore to provide a current limiter which avoids the limitations and disadvantages mentioned.
  • the invention should specify a current limiter, which limits the current quickly and reliably in the event of a fault, automatically returns to normal, and increases the impedance in nominal operation only to a negligible extent.
  • the current limiter should continue to be used in combination with the inductors used many times and can be retrofitted into existing networks.
  • a current limiter is proposed in which the inductance and thus the impedance of the choke coil is significantly reduced by the use of a superconducting coil in the interior of a choke coil. This is done by currents that are induced in the superconducting coil and compensate for the magnetic field of the inductor.
  • the choke coil of the current limiter comprises a sealed cryostat, which has no electrical connection to its surroundings.
  • a short-circuited coil is arranged, which consists of a superconducting material.
  • This coil comprises a superconducting coil consisting of only one shorted turn.
  • the short-circuited coil consists of a commercially available superconducting band conductor.
  • the superconducting coil compensates the magnetic field of the choke coil. As a result, the inductance is lowered and the voltage drop during normal operation is minimized.
  • the superconductor changes to the normal conducting state and increases the inductance, whereby the current is limited. After switching off the excessively high current, the superconductor returns automatically to the superconducting state after a short time, and normal operation can be resumed.
  • An advantage of the current limiter according to the invention is its intrinsic intrinsic safety due to the material properties of the superconductor itself. This allows a waiver of additional triggering mechanisms.
  • a particular advantage is that no iron core is necessary for effective current limitation, which has an advantageous effect on the impedance of the system and also on the dimensioning of the component.
  • the absence of iron cores allows a compact design of the current limiter, so that it can be installed in existing network systems. In this way, conventional measures for limiting the current with a choke coil can be made more efficient. This is both by equipping new energy networks with a short-circuited superconducting coil to reduce the impedance in nominal operation, as well as by retrofitting existing networks.
  • cryostat can therefore be implemented as a closed system and the usually occurring thermal losses that occur in electrical connections between a room temperature environment and a cryogenic environment are avoided.
  • Fig. 1 schematically is an arrangement of a choke coil 1 , a cryostat 2 , which is filled with liquid nitrogen 3 , a cooling device 4 and a HTS coil 5 shown.
  • the HTS coil 5 is designed in the embodiment as a YBCO band conductor with a, not shown in the figure, winding, this winding consists of only one shorted turn.
  • the HTS coil 5 is also arranged in a cryostat 2 , wherein a cooling device 4 cools the nitrogen 3 located therein and surrounding the HTS coil. In this way, the superconducting properties of the HTS coil 5 are generated.
  • Fig. 2 shows the equivalent circuit of the choke coil 1 with an ohmic resistance 11 and a leakage inductance 12 and with an inserted HTS coil 5 , which has a variable impedance 21 .
  • the entire arrangement of the coils has the main inductance 22 .
  • the short-circuited HTS coil 5 compensates for the magnetic field of the choke coil 1 in normal operation. By this compensation, the inductance is lowered and the losses of the system in normal operation are minimized. If, however, there is a short circuit, the HTS coil 5 changes to the normal conducting state. The magnetic field of the choke coil 1 is no longer compensated and as a result, the inductance increases. The short-circuit current is thereby limited. When the short-circuit current ceases, the HTS coil 5 returns to the superconducting state after a few seconds and normal operation resumes.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz.
  • Strombegrenzer werden ganz allgemein in der Energietechnik und in der elektrischen Energieversorgung eingesetzt. In der Energietechnik allgemein und insbesondere in der Hochspannungstechnik sind vor allem Strombegrenzer bekannt, die unter Verwendung von Drosselspulen nach dem Prinzip des abgeschirmten Eisenkerns oder des gleichstromvormagnetisierten Eisenkerns arbeiten. Nachteilig ist bei Strombegrenzern, in denen Eisenkerne verwendet werden, dass sie durch ein hohes Volumen und hohes Gewicht gekennzeichnet sind, sowie die vergleichsweise hohe Impedanz des elektrischen Systems im Nennbetrieb.
  • Weiter bekannt sind die als Is-Begrenzer bezeichneten Strombegrenzer. Der Vorteil dieser Is-Begrenzer liegt darin, dass die Impedanz im Normalbetrieb vernachlässigbar gering ist, jedoch im Fehlerfall schlagartig erhöht werden kann. Dies wird durch Sprengkapseln realisiert. Ein Nachteil dieses Systems ist jedoch, dass durch die Verwendung von Sprengkapseln nach jedem Auslösen ein Wartungsvorgang nach sich zieht und dass es nur begrenzt auf Anwendungen in der Hochspannungstechnik skalierbar ist.
  • Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von supraleitenden Materialen. Die DE 602004012035 beschreibt zum Beispiel einen supraleitenden Strombegrenzer mit magnetfeldunterstütztem Quench. Im Fehlerfall führt der durch den Supraleiter fließende Strom zu einem kritischen Strom und der Supraleiter geht in den normalleitenden Zustand über. Gemäß des in der DE 602004012035 offenbarten Strombegrenzers ist jeder Supraleiterkörper mit einer Spule parallelgeschaltet.
  • Bekannt ist weiterhin das Prinzip der so genannten resistiven supraleitenden Strombegrenzer, die durch ihre nichtlineare Strom- Spannungslinie den Strom im Kurzschlussfall begrenzen. Nachteilig bei den beiden letztgenannten Prinzipien ist, dass die Stromzufuhr über geeignete Mittel zwischen einer Raumtemperaturumgebung und eine Tieftemperaturumgebung erfolgen muss. Hierbei kommt es zu hohen thermischen Verlusten.
  • Die JP H05 145128 A offenbart eine Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer Drosselspule, einer Kühleinrichtung und einer magnetischen Abschirmung aus einem Hochtemperatur-supraleitenden Hohlkörper in der Drosselspule.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Strombegrenzer anzugeben, der die genannten Einschränkungen und Nachteile vermeidet. Insbesondere soll die Erfindung einen Strombegrenzer angeben, der schnell und zuverlässig im Fehlerfall den Strom begrenzt, automatisch in den Normalzustand zurückkehrt, sowie die Impedanz im Nennbetrieb nur in vernachlässigbarem Maße erhöht. Der Strombegrenzer soll weiterhin in Kombination mit den vielfach verwendeten Drosselspulen eingesetzt werden können und in bestehende Netze nachrüstbar sein.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung an.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Strombegrenzer vorgeschlagen, bei dem durch den Einsatz einer supraleitenden Spule im Innern einer Drosselspule die Induktivität und damit die Impedanz der Drosselspule signifikant reduziert wird. Dies geschieht durch Ströme, die in der supraleitenden Spule induziert werden und die das Magnetfeld der Drosselspule kompensieren.
  • Die Drosselspule des erfindungsgemäßen Strombegrenzers umfasst einen abgeschlossenen Kryostat, der keine elektrische Verbindung zu seiner Umgebung hat. Im Innern des Kyrostats ist eine kurzgeschlossene Spule angeordnet, die aus einem supraleitenden Material besteht. Diese Spule umfasst eine supraleitende Spule, die aus nur einer kurzgeschlossenen Windung besteht. Erfindungsgemäß besteht die kurzgeschlossene Spule aus einem kommerziell erhältlichen supraleitenden Bandleiter.
  • Im Normalbetrieb kompensiert die supraleitende Spule das Magnetfeld der Drosselspule. Dadurch wird die Induktivität gesenkt und der Spannungsabfall im Normalbetrieb wird minimiert. Bei Überschreiten eines bestimmten Stromwertes in der supraleitenden Spule geht der Supraleiter in den normalleitenden Zustand über und vergrößert die Induktivität, wodurch der Strom begrenzt wird. Nach dem Abschalten des zu hohen Stroms geht der Supraleiter nach einer geringen Zeit wieder selbstständig in den supraleitenden Zustand zurück und der Normalbetrieb kann wieder aufgenommen werden.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Strombegrenzers ist seine intrinsische Eigensicherheit durch die Materialeigenschaften des Supraleiters selbst. Dies erlaubt einen Verzicht auf zusätzliche Auslösemechanismen.
  • Ein besonderer Vorteil ist, dass zur effektiven Strombegrenzung kein Eisenkern notwendig ist, was sich vorteilhaft auf die Impedanz des Systems und auch auf die Dimensionierung des Bauteils auswirkt. Der Verzicht auf Eisenkerne erlaubt eine kompakte Bauweise des Strombegrenzers, so dass dieser in bestehende Netzsysteme eingebaut werden kann. Auf diese Weise können konventionelle Maßnahmen zur Strombegrenzung mit einer Drosselspule effizienter gestaltet werden. Dies ist sowohl durch Erstausrüstung neuer Energienetzwerke mit einer kurzgeschlossenen supraleitenden Spule zur Reduzierung der Impedanz im Nennbetrieb, als auch durch Nachrüstung bestehender Netzwerke.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass keine Mittel zur Stromzuführung zu der supraleitenden Spule nötig sind. Der Kryostat kann daher als abgeschlossenes System ausgeführt werden und die üblicherweise auftretenden thermischen Verluste, die bei elektrischen Verbindungen zwischen einer Umgebung mit Raumtemperatur und einer Tieftemperaturumgebung auftreten, werden vermieden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels und der Figuren erläutert.
    • Fig. 1 zeigt ein Übersichtsschaubild einer Anordnung aus einer Drosselspule mit eingesetzter Hochtemperatursupraleiter (HTS) Spule und Kühleinrichtung.
    • Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild einer Drosselspule mit eingesetzter HTS Spule.
  • In Fig. 1 ist schematisch eine Anordnung aus einer Drosselspule 1, einem Kryostat 2, der mit flüssigem Stickstoff 3 gefüllt ist, einem Kühlgerät 4 und einer HTS-Spule 5 dargestellt.
  • Die HTS-Spule 5 ist in der Ausführform als YBCO-Bandleiter mit einer, in der Figur nicht gezeigten, Wicklung ausgestaltet, wobei diese Wicklung aus nur einer kurzgeschlossenen Windung besteht. Die HTS-Spule 5 ist außerdem in einem Kryostat 2 angeordnet, wobei ein Kühlgerät 4 den sich in ihm befindlichen und die HTS-Spule umgebenen Stickstoff 3 kühlt. Auf diese Weise werden die supraleitenden Eigenschaften der HTS-Spule 5 erzeugt.
  • Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild der Drosselspule 1 mit einem ohmschen Widerstand 11 und einer Streuinduktivität 12 und mit einer eingesetzter HTS-Spule 5, die eine veränderliche Impedanz 21 besitzt.
  • Die gesamte Anordnung der Spulen hat die Hauptinduktivität 22. Die kurzgeschlossene HTS-Spule 5 kompensiert im Normalbetrieb das Magnetfeld der Drosselspule 1. Durch diese Kompensation wird die Induktivität abgesenkt und die Verluste des Systems im Normalbetrieb werden minimiert. Kommt es hingegen zu einem Kurzschluss, geht die HTS-Spule 5 in den normalleitenden Zustand über. Das Magnetfeld der Drosselspule 1 wird nicht mehr kompensiert und als Folge steigt die Induktivität an. Der Kurzschlussstrom wird dadurch begrenzt. Bei Wegfall des Kurzschlusstroms kehrt die HTS-Spule 5 nach wenigen Sekunden in den supraleitenden Zustand zurück und der Normalbetrieb wird wieder aufgenommen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1 Drosselspule
    • 2 Kryostat
    • 3 flüssiger Stickstoff
    • 4 Kühlgerät
    • 5 HTS-Spule
    • 11 ohmscher Widerstand der Drosselspule
    • 12 primäre Streuinduktivität der Drosselspule
    • 21 veränderliche Imdepanz der supraleitenden Spule
    • 22 Hauptinduktivität der Anordnung

Claims (4)

  1. Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz, umfassend eine Drosselspule (1), und eine Kühleinrichtung (4), wobei eine weitere Spule (5) aus einem Hochtemperatur supraleitenden Material in der Drosselspule (1) angeordnet ist und wobei der Strombegrenzer eisenkernlos ausgeführt ist und die weitere Spule (5) elektrisch kurzgeschlossen ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die weitere Spule (5) aus nur einer kurzgeschlossenen Windung aus einem supraleitenden Bandleiter besteht.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kühleinrichtung (4) einen Kryostat (2) umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Kryostat (2) als abgeschlossenes System, ohne Mittel zum elektrischen Verbinden der weiteren Spule (5) zu ihrer elektrischen Umgebung, ausgeführt ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die weitere Spule (5) aus dem Hochtemperatur supraleitenden Material im Inneren des Kryostats (2) angeordnet ist.
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