SE461306B - Stroembegraensare - Google Patents

Description

461 sne 2 I det aktuella utförandet ändras resïstansen från praktiskt taget noll vid ett supraledande tillstånd till storleksordningen 13 ka då det supraled- ande tillståndet upphör. Det andra motståndet är dimensionerat så att dess resistans är väsentligt längre än det supraledande motståndets resistans då detta ej längre är supraledande, i det aktuella fallet är resistansen ca 3,6 Q. _ Vid normala förhållanden hos nätet hålls det supraledande motståndet i ett supraledande tillstånd, dvs dess resistans är noll varvid ström endast flyter genom detta motstånd och inget spänningsfall uppstår över de två parallellkopplade motstånden. Om nu nätströmmen på grund av kortslutning eller annat överstiger ett tillåtet värde motsvarande det värde man önskar att strömbegränsaren skall träda i funktion. ändras det supraledande mot- ståndet i den beskrivna anordningen genom att ett magnetfält partiellt ändrar den magnetiska flödestätheten kring ledaren varvid en partiell stegring av resistansen erhålles vilket också resulterar i en höjning av temperaturen i motståndet. Detta leder då inom kort till att det supra- ledande tillståndet upphör och att övervägande delen av strömmen måste passera det parallellkopplade motståndet.

Att enbart använda den kritiska strömtätheten för att få ett supraledande material att övergå från supraledande till icke supraledande tillstånd är beskrivet i OS 2 712 990 ”Anordnung zur Überströmbegrenzung in elektrische ånergieversorgungsstrecken". I denna patentskrift redovisas en ström- begränsare i form av en "supraledande kabel” bestående av ledare av ett material som kan bli supraledande och av ledare (”Matrix-bzw Trägemetall) dimensionerat så att den supraledande kabeln utgör ett strömbegränsande element då den parallellkopplade supraledande ledaren ej längre är supra- ledande. Den eller de supraledande ledarna är utformade med vissa områden med areareduktioner (Einschnürungen) varvid den kritiska strömtätheten överskrides då den ström som ledes genom kabel överskrider den ström där strömbegränsaren skall träda i funktion.

Att strömbegränsare baserade på supraledares två olika tillstånd inte har fått någon nämnvärd spridning beror på flera orsaker. Fram till för några år sedan låg den kritiska temperaturen vid mycket låga värden. vilket med- förde kostbara och svårhanterliga kylanordningar med i regel helium som kylmedel. Dels beror också den låga användningen på den komplexitet som till exempel den i Journal of Applied Physics beskrivna utrustningen innebär. 3 461 3Û6 Ett problem i samband med den redovisade supraledande kabeln som man för- bigår i all tysthet är vad som händer med den värmeutveckling som sker inne i kabeln vid övergång från supraledande till normalt ledande till- stånd.

Upptäckten av nya material som blir supraledande vid väsentligt högre temperatur, vilket till exempel medger att flytande kväve kan användas som kylmedel. har självfallet också en positiv effekt på befintliga tekniska lösningar. ' REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Upptäckten av nya material och materialkombinationer, bl a keramiska material, som kan bli supraledande vid väsentligt högre temperatur än tidigare kända material, har medfört ett ökat intresse för praktiska applikationer av detta fysikaliska fenomen. Detta gäller även för ström- begränsare som utnyttjar övergången från supraledande till icke supraled- ande tillstånd för att begränsa en icke önskvärd höjning av strömmen t ex i ett kraftnäts ledningssystem vid kortslutning. Uppfinningens tillämpning har dock inget specifikt med den senaste tidens upptäckt av material med högre kritiska temperaturer än tidigare att göra. Uppfinningen ställer dock vissa krav, som det framgår av det följande. på de supraledande mate- rialens formbarhet.

Principiellt utgör uppfinningen en variant på den tidigare redovisade strömbegränsaren från Journal of Applied Physics. En strömbegränsare enligt uppfinningen omfattas således av två parallellkopplade motstånd, varav det första utgörs av ett material som kan bli supraledande. I ett supraledande tillstånd kortslutes således det andra motståndet och inget spänningsfall ligger över motstândskombinationen. Det andra motståndet har en resistans som är väsenligt lägre än det supraledande motståndets resistans då detta ej längre befinner sig i ett supraledande tillstånd.

Dock skall det ha en resistans som är så pass hög att strömmen i den aktuella kretsen ej blir för stor. Här upphör dock likheten mellan känd teknik och en strömbegränsare enligt uppfinningen. 461 306 14 En strömbegränsare enligt uppfinningen omfattar två motståndsskikt. Ett första skikt består av ett material som kan bli supraledande. Det andra skiktet består av ett på detta skikt påångat, plasmasprutat eller på annat sätt applicerat skikt av ett normalt strömledande material. Detta skikt dimensioneras så att dess resistans är väsentligt lägre än resistansen hos det supraledande skiktet då det ej befinner sig i ett supraledande till- stånd. Dock skall det andra skiktet dimensioneras så att. då det första skiktet ej längre är supraledande, resistansen skall begränsa aktuell överström till ett tillåtet värde.

Strömbegränsarens anslutning sker via kopplingsanordningar fästa vid det andra motståndsskiktet.

Eftersom motståndskombinationen blir både tunn och spröd behövs en meka- nisk bas för dessa båda skikt. Basen kan lämpligen utgöras av ett isoler- material på vilket det supraledande materialet appliceras. Detta kan ske till exempel genom sputtring eller annan teknik som medger att det supra- lednde skiktet kan bli jämnt fördelat på isolatorn och att skiktet också skall kunna få bli tillräckligt tunt.

I en strömbegränsande anordning enligt uppfinningen skall de båda mot- ståndsskikten. isolator och anslutningsdelar befinnas i en kryostat.

Den kritiska parametern som enligt uppfinningen användes för att åstad- komma övergàng från supraledande till icke supraledande tillstånd är den kritiska strömtätheten. Genom att det supraledande materialet utformas som ett tunt skikt är det inga problem att dimensionera skiktets tvärsnitts- area så att kritisk strömtäthet uppnås för den maximalt önskade strömmen.

En strömbegränsare enligt uppfinningen kan också bestå av strömbegränsande element med flera skikt av supraledande materiel varvat med motståndsmate- rial.

Strömbegränsaren enligt uppfinningen kan också utformas med seriekopplade element med successivt ökande kritisk ström. Därvid kan erhållas en mjuk övergång mellan supraledande och normalt ledande tillstånd. det vill i praktiken säga en strömberoende strömbegränsare. 461 306 En väsentlig fördel med en strömbegršnsare enligt uppfinningen är att man undviker problemen med eventuella.lokala defekter i det supraledande mate- rialet. Då strömbegrånsaren består av två separata och skilda motstånd kan supraledaren förstöras på grund av den temperaturhöjning som erhålles vid ' lokala defekter. Med en strömbegränsare enligt uppfinningen kommer ström- men vid eventuella lokala defekter att kunna ledas i det andra motstånds- skiktet.

Vid en kortslutning på nätet kommer strömbegränsaren att begränsa strömmen till dess nätbrytaren öppnar. Under denna tid kommer strömbegransaren att absorbera den utvecklade energien som beror på strömmens amplitud och varaktighet samt det andra motståndets resistans. Denna energi ger upphov till en temperaturhöjning som måste åtgärdas genom tillförande av mera kylmedium.

RITNINGSFÖRTECKNING Figur 1 visar en föredragen utföringsform av en strömbegränsare enligt uppfinningn.

Figur 2 visar ett alternativt utförande enligt uppfinningen.

Figur 3 visar hur en strömbegränsare enligt uppfinningen kan utformas med flera varvade lager av supraledande respektive lotstàndsmaterial.

Figur 4 visar ytterligare en variant med varvade lager.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Dimensionering av i strömbegränsaren ingående delar med avseende på det första supraledande skiktets tvärsnittsarea för att få omslag vid kritisk ström, val av material för det andra motståndsskiktet samt detta skikts tvärsnittsarea, nödvändig längd på motstånden, temperaturstegringar, K utvecklad effekt, behov av kylmedel osv beror självfallet pà material- egenskaperna på vid konstruktionstiden tillgängliga material, aktuella strömmar m m och kommer därför ej att redovisas här. Uppfinningen omfat- tar, som det ocksà har framgått. strömbegränsarens utformning. En före- dragen utföringsform visas i figur 1. På en bärande isolator 1 i form av en stav med rektangulärt tvärsnitt appliceras på ena sidan med hjälp av

Claims (7)

4s1fsoe sputtring eller liknande ett tunt skikt 2 av supraledande material. Shuntresistansen 3 bestående av ett lämpligt lotståndsmaterial påangas, plasma sprutas eller appliceras på annat sätt på det supraledande mate- rialskiktet. På detta andra motstàndsskikt fästes anslutningsdetaljer 4 och 5. Ett alternativt utförande består i att ett supraledande skikt appliceras på två motstáende sidor av staven utanpå vilka skikt av det andra mot- ståndsmaterialet appliceras. I ett alternativ enligt figur 2 utgöres den bärande isolatorn av en - cylindrisk stav eller ett rör som de två lotatåndsskikten appliceras på. Den bärande isolatorn kan självfallet i övrigt ha ett flertal olika utformingar som täcks av uppfinningen. I figur 3 visas schematiskt hur flera omväxlande lager av supraledande material och motståndsmaterial är varvade ovanpå varandra. I figur Ä visas hur tekniken med varvade lager sker då nan utgår från en cylindrisk bärande isolator. Speciellt_hänsyn vid dimensioneringen av de olika lagren får här tas med tanke på den ökande radien för varje nytt lager. Som omtalat kan strömbegränsaren utformas son en seriekoppling av ström- begränsande element med stigande kritisk stromdensitet varvid en ström- beroende strömbegrënsarkaraktäristik kan erhållas. PATENTKRAV

1. l. Strömbegränsare omfattande ett första och ett andra motstånd. det första motståndet (2) bestående av ett material som kan bli supraledande, det andra motståndet (3) bestående av ett normalt strömledande material, en isolator för mekaniskt stöd av motstånden samt en kryotank, k ä n n e t e c k n a d av att det första motståndet är anordnat som ett tunt skikt applicerat på isolatorn och som är dimensionerat så att den strömgräns där strömbegränsaren skall träda i funktion motsvarar en sådan strömtäthet att materialets kritiska strömtäthet uppnås. och att det andra motståndet är anordnat som ett skikt som appliceras på det första mot- V? f) ['9- 7 1161 306 ståndet. att det andra motståndet än dimensionerat så att dess resistans reducerar en eventuell överström till ett acceptabelt värde och att det andra motståndet är anordnat med strömanslutningsdetaljer (4, 5) samt att isolatorn med motstånd är placerad i kryotanken.

2. Strömbegränsare enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d av att isolatorn är anordnad som en stav med rektangulärt tvärsnitt på vars ena sida det första motståndet är applicerat ovanpå vilket det andra mot- ståndet är applicerat.

3. Strömbegränsare enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d av att isolatorn är anordnad som en stav med rektangulårt tvärsnitt och att ett första motstånd är applicerat på motstående sidor av staven och att ett andra motstånd är applicerat ovanpå de första motstånden.

4. Strömbegränsare enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d av att isolatorn är anordnad som en cylindrisk stav på vars mantelyta det första motståndet är applicerat utanpå vilket det andra motståndet är applicerat.

5. Strömbegränsare enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d av att isolatorn år anordnad som ett rör på vara mantelyta det första motståndet är applicerat utanpå vilket det andra motståndet är applicerat.

6. Strömbegränsare enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d av att flera omväxlande skikt av första och andra motstånd är applicerade och varvade ovanpå varandra.

7. Strömbegrånsare omfattande ett flertal strömbegränsare enligt patent- krav 1 kopplade i serie k ä n n e t e c k n a d av första motståndet i samtliga seriekopplade strömbegränsare har olika tvärsnittsasreor.