WO2002003401A1

WO2002003401A1 - Supraleitungseinrichtung mit einer resistiven strombegrenzereinheit unter verwendung von hoch-tc-supraleitermaterial

Info

Publication number: WO2002003401A1
Application number: PCT/DE2001/002296
Authority: WO
Inventors: Günter RIES; Heinz-Werner NEUMÜLLER
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2001-06-21
Publication date: 2002-01-10
Also published as: DE10032368A1

Abstract

Die Supraleitungseinrichtung (2) enthält eine Strombegrenzereinheit (7) sowie eine Wicklung (4, 5) jeweils mit Hoch-Tc-Supraleitermaterial. Zur Kühlung auf eine Betriebstemperatur ist ein Kältemittel (KM) vorgesehen. Die Strombegrenzereinheit (7) soll auf dem Temperaturniveau (T) des Kältemittels (KM) an Anschlussleitern (9a, 9b) in den Stromkreis der Wicklung (4) unter Ausbildung einer Serienschaltung integriert sein. Vorzugsweise wird für die Strombegrenzereinheit (7) und die Wicklung (4, 5) ein gemeinsames Kryostatengefäss (10) vorgesehen.

Description

Beschreibung

Supraleitungseinrichtung mit einer resistiven Strombegrenzereinheit unter Verwendung von Hoch-T_c-Supraleitermaterial

Die Erfindung bezieht sich auf eine Supraleitungseinrichtung mit mindestens einer resistiven Strombegrenzereinheit, die wenigstens eine für einen Nennstrom ausgelegte Leiterbahn aufweist, welche Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthält, von einem Kältemittel auf Betriebstemperatur zu kühlen ist und an ihren Enden mit Anschlussleitern verbunden ist. Eine entsprechende Supraleitungseinrichtung geht aus der EP 0 829 101 Bl hervor.

In elektrischen Wechselstromversorgungsnetzen können Kurzschlüsse und elektrische Überschläge nicht mit Sicherheit vermieden werden. Dabei steigt der Wechselstrom im betroffenen Stromkreis sehr schnell, d.h. innerhalb der ersten Halbwelle, auf ein Vielfaches seines Nennwertes an, bis er durch geeignete Sicherungs- und/oder Schaltmittel unterbrochen wird. Als Folge davon treten in allen betroffenen Netzkomponenten wie Leitungen, Sa melschienen, Schaltern und Transformatoren erhebliche thermische sowie mechanische Belastungen durch Stromkräfte auf. Da diese kurzzeitigen Lasten mit dem Quadrat des Stromes zunehmen, kann eine sichere Begrenzung' des Kurzschlussstromes auf einen niedrigeren Spitzenwert die Anforderungen an die Belastungsfähigkeit dieser Netzkomponenten erheblich reduzieren. Dadurch lassen sich Kostenvorteile erreichen, etwa beim Aufbau neuer als auch beim Ausbau beste- hender Netze, indem durch einen Einbau von Strombegrenzerein- heiten ein Austausch von Netzkomponenten gegen höher belastbare Ausführungsformen vermieden werden kann.

Mit supraleitenden Strombegrenzereinheiten vom resistiven Typ kann in an sich bekannter Weise der Stromanstieg nach einem Kurzschluss auf einen Wert von wenigen Vielfachen des Nennstromes begrenzt werden. Darüber hinaus ist eine solche Begrenzereinheit kurze Zeit nach Abschaltung wieder betriebsbereit. Sie wirkt also wie eine schnelle, selbstheilende Sicherung. Dabei gewährleistet sie eine hohe Betriebssicherheit, da sie passiv wirkt, d.h. autonom ohne vorherige Detek- tion des Kurzschlusses und ohne aktive Auslösung durch ein Schaltsignal arbeitet.

Resistive supraleitende Strombegrenzereinheiten der eingangs genannten Art bilden eine seriell in einen Stromkreis z.B. mit einem Transformator einzufügende supraleitende Schaltstrecke. Dabei wird der Übergang mindestens einer supraleitenden Leiterbahn vom praktisch widerstandslosen kalten Betriebszustand unterhalb der Sprungtemperatur T_σ des verwendeten Supraleitermaterials in den normalleitenden Zustand über T_c hinaus (sogenannter „Quench¹* ) ausgenutzt, wobei der nun vorhandene elektrische Widerstand R_n der Leiterbahn den Strom auf eine akzeptable Höhe I=U/R_n begrenzt. Die Erwärmung über T_c geschieht durch Joule' sehe Wärme in dem Supraleiter der Leiterbahn selbst, wenn nach Kurzschluss die Stromdichte j über den kritischen Wert j_c des Supraleitermaterials ansteigt. Dabei kann das Material auch unterhalb von T_c bereits einen endlichen elektrischen Widerstand annehmen. Im begrenzenden Zustand oberhalb von T_c fließt in dem Stromkreis ein vorteilhaft verminderter Reststrom solange weiter, bis der Stromkreis z.B. mittels eines zusätzlichen mechanischen Trennschalters völlig unterbrochen wird.

Supraleitende Strombegrenzereinheiten mit bekannten metallo- xidischen Hoch-T_c-Supraleitermaterialien (sogenannten „HTS - Materialien) , deren T_c so hoch liegt, dass sie mit flüssigem Stickstoff (LN₂) von höchstens 77 K im supraleitenden Betriebszustand zu halten sind, zeigen eine schnelle Zunahme des elektrischen Widerstandes beim Überschreiten von j_c. Die Erwärmung in den normalleitenden Zustand und somit die Strom- begrenzung geschehen dabei in hinreichend kurzer Zeit, so dass der Spitzenwert eines Kurzschlussstromes auf einen Bruchteil des unbegrenzten Stromes, etwa auf den 3- bis lOfachen Wert des Nennstromes begrenzt werden kann. Der supraleitende Strompfad sollte dabei in gut-wärmeleitendem Kontakt mit einem geeigneten Kältemittel stehen, das ihn in verhältnismäßig kurzer Zeit nach Überschreitung von j_c in den supraleitenden Betriebszustand wieder zurückzuführen vermag.

Mit der aus der eingangs genannten EP-B-Schrift zu entnehmenden Strombegrenzereinheit sind entsprechende Anforderungen zu erfüllen. Die bekannte Einrichtung weist einen Trägerkörper aus einem elektrisch isolierenden Material wie z.B. aus Y- stabilisiertem Zr0₂ (sogenanntem ,,YSZ^λ) oder aus Glas auf, auf welchem unmittelbar oder über mindestens eine Zwischenschicht ein metalloxidisch.es HTS-Material in Form einer zu mindestens einer Leiterbahn strukturierten Schicht aufge- bracht ist. Die Leiterbahn kann dabei insbesondere als Mäander gestaltet sein (vgl. EP 0 523 374 Bl) . An ihren Enden ist die Leiterbahn der bekannten Begrenzereinheit mit weiteren, normalleitenden Anschlussleitern zur Einspeisung bzw. Abnahme des zu begrenzenden Stromes großflächig mittels Löt-, Press- oder Federkontakten kontaktierbar .

All diese bekannten supraleitenden Strombegrenzereinheiten erfordern jeweils einen eigenen Kryostaten, um das Supraleitermaterial ihrer mindestens einen Leiterbahn auf der erfor- derlichen Tieftemperatur, insbesondere der LN₂-Temperatur, zu halten. Ihre beiden zur Stromzu- bzw. -ableitung dienenden Anschlussleiter führen dann jeweils von der Tieftemperatur auf Raumtemperatur. Damit sind entsprechende Wärmeeinleitungsverluste in dem Kryostaten verbunden. Soll nun eine ent- sprechende Strombegrenzereinheit in den Stromkreis einer HTS- Material enthaltenden Wicklung oder Spule integriert werden, so geschieht das nach dem Stand der Technik im Bereich der warmen Teile der Anschlussleiter dieser Wicklung. Folglich sind bei einer entsprechenden HTS-Einrichtung mit einer HTS- Strombegrenzereinheit und einer HTS-Wicklung pro Phase für die Strombegrenzereinheit und die Wicklung jeweils zwei Stromzuführungen mit Übergang zwischen Raumtemperatur und Tieftemperatur erforderlich. Der diesbezügliche Kältemittelaufwand aufgrund von Wärmeleitungsverlusten der erforderlichen Kryostaten ist dementsprechend hoch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den Kältemittelaufwand einer solchen Supraleitungseinrichtung zu verringern.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnah- men gelöst. Die Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung weist folglich mindestens eine resistive Strombegrenzereinheit mit wenigstens einer für einen Nennstrom ausgelegten Leiterbahn auf, welche Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthält und an ihren Enden mit Anschlussleitern verbunden ist, ferner mindestens eine Wicklung mit wenigstens einem Leiter auf, welcher Hoch-T_σ-Supraleitermaterial enthält, sowie ein Kältemittel zur Kühlung der supraleitenden Teile der Einrichtung auf mindestens eine Betriebstemperatur auf. Dabei soll die Strombegrenzereinheit auf Kältemittelniveau über ihre An- schlussleiter in den Stromkreis der Wicklung unter Ausbildung einer Serienschaltung integriert sein.

Die mit dieser Ausgestaltung der Supraleitungseinrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass ihre Strombegrenzereinheit keine eigenen Stromzuführungen mit Übergang zwischen Raumtemperatur und Tieftemperatur erfordert und deshalb der Kältemittelbedarf entsprechend begrenzt ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So können insbesondere die Wicklung und die Begrenzereinheit in einem gemeinsamen Kryostatengefäß angeordnet sein, das zwei Kältemittelräume enthält, in denen die Wicklung bzw. die Begrenzereinheit untergebracht sind. Dies hat den Vorteil,

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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung sind aus den restlichen Ansprüchen und der Zeichnung zu entnehmen.

Zur ergänzenden Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in der schematisch bevorzugte Ausführungsformen von Supraleitungseinrichtungen nach der Erfindung veranschaulicht sind. Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung deren Figur 1 einen supraleitenden Transformator mit einer ersten supraleitenden Strombegrenzereinheit in Schrägansicht, Figur 2 diesen Transformator mit einer zweiten Strombegrenzereinheit in entsprechender Ansicht sowie

Figur 3 eine supraleitende Wicklung mit einer anderen supraleitenden Strombegrenzereinheit in Schnittansicht. In den Figuren sind sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Bei der mindestens einen supraleitenden Wicklung der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung kann es sich insbesondere um die Primär- oder Sekundärwicklung eines supraleitenden Transformators handeln (vgl. z.B. WO 00/16350 A) . Ebenso kann die supraleitende Wicklung eine Drosselspulenwicklung (vgl. z.B. EP 0 440 664 Bl) oder die Wicklung eines sonstigen Magneten (vgl. z.B. US 5,168,259 A) , beispielsweise einer supraleitenden Glättungsdrossel im Gleichstrompfad eines halbleitergesteuerten Frequenzumrichters oder eines Gleichrichters sein. In dem Stromkreis dieser mindestens einen Wicklung soll mindestens eine resistive Strombegrenzereinheit integriert sein. Im allgemeinen wird sich diese Einheit an mindestens einer der Anschlussseiten der Wicklung befinden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Wicklung in min- destens zwei Teilwicklungen unterteilt ist und die Strombegrenzereinheit in dem Verbindungsbereich zwischen diesen beiden Teilwicklungen angeordnet wird. Selbstverständlich c CΛJ r-υ fO P¹

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genden Kältemittelraum 23 einstellt. In der Figur sind ferner noch die beiden für die Hintereinanderschaltung von Strombegrenzereinrichtung 27 und Wicklung 25 erforderlichen, nach außen führenden Stromzuführungen 12a und 13a mit ihren Isola- toren 14 angedeutet.

Über die vorstehend erläuterten Ausführungsformen einzelner Supraleitungseinrichtungen 2, 16, 20 nach der Erfindung an Hand der Figuren hinaus können magnetische Abschirmmittel z.B. in Form von Blechen vorgesehen werden, um so eine feldmäßige Beeinflussung der supraleitenden Wicklung seitens der in den Leiterbahnen der Strombegrenzereinrichtung geführten Ströme zu unterbinden.

Statt der Wahl von LN₂ als Kältemittel KM, KM1 und KM2 sind selbstverständlich auch andere Kältemittel wie z.B. LNe, LHe oder GHe möglich, um das mindestens eine in der Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung verwendete Hoch-T_c- Supraleitermaterial auf der Betriebstemperatur dieses Materi- als zu halten. Das Kältemittel braucht dabei nicht unbedingt flüssig bzw. siedend zu sein (wie im Fall einer Verwendung von GHe) . Gegebenenfalls ist auch statt der für die Ausführungsbeispiele angenommenen Badkühlung eine forcierte Kühlung möglich. Dies gilt insbesondere für den Fall einer Verwendung von GHe.

Claims

Patentansprüche

1. Supraleitungseinrichtung (2, 16, 20) mit

- mindestens einer resistiven Strombegrenzereinheit (7, 17, 27) , die wenigstens eine für einen Nennstrom (I) ausgelegte Leiterbahn (L) aufweist, welche Hoch-T_c- Supraleitermaterial enthält und an ihren Enden (El, E2) mit Anschlussleitern (9a, 9b) verbunden ist,

- mindestens einer Wicklung (4, 5, 25), die wenigstens einen Leiter aufweist, welcher Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthält und einem Kältemittel (KM, KMl, KM2) zur Kühlung der supraleitenden Teile der Einrichtung auf mindestens eine Betriebs- temperatur (T, Tl, T2) , wobei die Strombegrenzereinheit (7, 17, 27) auf Kältemittelniveau über ihre Anschlussleiter (9a, 9b) in den Stromkreis der Wicklung (4, 25) unter Ausbildung einer Serienschaltung integriert ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 'dass die Wicklung (4, 5, 25) und die Strombegrenzereinheit (7, 17, 27) in einem gemeinsamen Kryostatengefäß (10, 21) angeordnet sind, das zwei Kältemit- telräume (22, 23) enthält, in denen die Wicklung bzw. die Strombegrenzereinheit untergebracht sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kältemittelräume (22, 23) untereinander in einer Kältemittelverbindung stehen.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich das Kältemittel (KMl) in dem Kältemittelraum (22) der Wicklung (25) auf einem tieferen Temperaturniveau (T2) befindet als das Kältemittel (KM2) in dem Kältemittelraum (23) der Strombegrenzereinheit (27) .

5. Einrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich der Kältemittelraum (22) der Wicklung (25) und der Kältemittelraum (23) der Strombegrenzereinheit (27) zumindest annähernd auf gleichem Druck befinden.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kälte- mittelräume (22, 23) bis auf die Kältemittelverbindung durch eine wärmeisolierende Wand (28) thermisch getrennt sind.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mit der Wicklung die Primär- oder Sekundärwicklung (4 bzw. 5) eines supraleitenden Transformators ausgebildet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mit der Wicklung die Wicklung einer Drosselspule oder einer sonstigen Magnetspule ausgebildet ist.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass magneti- sehe Abschirmmittel zur feldmäßigen Abschirmung der Wicklung von der zugeordneten Strombegrenzereinheit vorgesehen sind.