WO2018077533A1 - Elektrische spuleneinrichtung zur strombegrenzung mit kryostat - Google Patents

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WO2018077533A1
WO2018077533A1 PCT/EP2017/073078 EP2017073078W WO2018077533A1 WO 2018077533 A1 WO2018077533 A1 WO 2018077533A1 EP 2017073078 W EP2017073078 W EP 2017073078W WO 2018077533 A1 WO2018077533 A1 WO 2018077533A1
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coil
cryostat
wall
superconducting
cryostat wall
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PCT/EP2017/073078
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Inventor
Michael Frank
Christian Schacherer
Peter Van Hasselt
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/04—Cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F2006/001—Constructive details of inductive current limiters

Definitions

  • the invention relates to an electrical coil device having a choke coil, a superconducting compensation coil and a cooling device for the compensation coil, wherein the cooling device comprises a cryostat having at least one outer cryostat wall. Furthermore, the inven ⁇ tion relates to an inductive-resistive current limiter device with such an electric coil device.
  • Choke coils are inductive AC resistors, which are often used to limit short-circuit currents and to reduce high-frequency current components on electrical lines. They usually have a low
  • inductors can also be connected in series with a consumer to act as a series resistor and so reduce the voltage applied to the consumer AC voltage.
  • inductors with windings made of normally conducting materials such as copper or aluminum are used to limit the current or to smooth the current characteristics.
  • sol ⁇ cher choke coils used to limit short-circuit currents, which is in the course of the energy transition, especially at the input power of electrical energy by a plurality of decentralized Energypeiser, of increasing importance.
  • conventional choke coils have a negative impact on grid stability during normal operation.
  • it is particularly desirable that in normal operation, the inductance of the inductor is small, but that it quickly assumes a high value in case of failure or current limiting case.
  • the superconducting Kom ⁇ pensationsspule In the operation of the current limiter, the superconducting Kom ⁇ pensationsspule must be cooled to a cryogenic operating temperature below ⁇ half the critical temperature of the superconductor. This operating temperature may be, for example, in a range of 90 K or lower, in particular in a range of 77 K or lower.
  • a cryostat - includes enclosing the supralei ⁇ tend compensating coil - so a cooling vessel.
  • Inventive ⁇ correct electrical coil means comprises a choke coil and a superconductive bucking coil is disposed within the reactor. Furthermore, the coil means includes a cooling device for the superconductive bucking coil, wherein the cooling means comprises a cryogenic ⁇ Staten with at least one outer cryostat wall. This cryostat wall is a cylindrical, through-me ⁇ -metallic wall is disposed radially between the choke coil and the compensation coil of superconducting.
  • the metallic Kryostatwand easier to finished, vacuum-tight and mechanically stable than a corresponding made of a glass fiber composite produced ⁇ Kryostatwand.
  • the invention is based on the finding that a metallic cryostat wall can also be used in a generic coil device.
  • the ⁇ during loading operating in an alternating current network in the cryostat necessarily induced alternating currents can thereby be tolerated ⁇ to, especially if the beneficial dimensions described below are met.
  • the cylindrical cryostat wall is continuously metallic and thus continuously conductive over the circumference of the cylinder. In particular, no interruption of the conductive path in the cryostat wall should be introduced here, which makes the manufacture of such a cryostat wall considerably easier.
  • cylindrical is to be understood in the context of the present invention that the respective element is a body according to the general geometric definition of a straight cylinder, ie to a body by moving a flat base along a to their perpendicular straight line is formed.
  • the shape is not limited to cylinders with a circular base surface here also.
  • circular ⁇ shaped cylindrical structures in connection with the present invention in addition to the cylindrical cryostat wall are particularly preferred, since they represent a structure with a particularly high symmetry. can have in particular the reactor and / or the superconducting Kompensationsspu ⁇ le cylindrical basic shapes. is particularly useful to achieve close packing of the individual components such at ⁇ order of nested cylinders. for this purpose, Kings NEN the basic shapes of the individual cylinders are similar to each other, whereby they differ only by their size. In particular, can be act on all elements and circular cylindrical structures.
  • Cryostat wall "radially between" choke coil and Kompensati ⁇ onsspule is to be understood that the cryostat wall, the Kompen ⁇ sationsspule encloses and that the choke coil
  • cryostat wall Encloses cryostat wall.
  • radial generally refers to the direction perpendicular to the cylinder axis of the cryostat wall, wherein this cylinder axis is expediently also a central axis of symmetry of the entire coil device.
  • the inductive-resistive current-limiting device according to the invention comprises such an electrical coil device according to the invention.
  • the advantages of the current limiter device according to the invention are analogous to the described advantages of the electric coil device according to the invention.
  • the outer wall of the cryostat can have a specific area conductivity between 2.5 kS and 25 kS on its cylindrical surface.
  • the specific surface conductivity is to be understood here in general as the inverse of the surface resistivity RQuacirat.
  • the specific surface conductivity of a sheet-like ele ments ⁇ is equal to the specific conductivity of its material multiplied by the layer thickness, the relevant
  • Layer thickness here is the wall thickness of each cryostat wall.
  • the above-mentioned advantageous range applies here for only one, namely the outer mentioned here Cryostat wall reached conductivity. If more electrically conductive walls and only this one cryostat wall are present, then it is advantageous if the sum of the specific FLAE ⁇ chenleitrangeen of all annular electrically conductive elements of the cryostat is located in a range between 5 and 50 kS kS. It is particularly advantageous if the sum of al ⁇ ler such specific surface conductivities in the range between 3 and 30 kS kS, especially between 5 and 15 kS kS is located.
  • a metallic cylindrical wall may be provided with a sufficiently high me ⁇ ical strength with these values, but that hand, which can be kept sufficiently low during the operation in an AC network occurring defects ⁇ Tenden eddy current losses
  • the lower limit of conductivity range results from the fact that wall thicknesses of a few millimeters are possible with the typically used metal ⁇ metallic materials here.
  • the upper limit of the conductivity range results from the requirement that the eddy current losses should remain low enough to achieve a sufficiently high ratio of the choke impedance between superconducting state and normal conducting state of the compensation coil.
  • the wall thickness of the outer cryostat wall is advantageously between 2 mm and 8 mm, particularly advantageously between 3 mm and 6 mm, in particular between 4 mm and 5 mm. With wall thicknesses in these areas can to said further below advantageous materials, a sufficiently high vacuum tightness and / or mechanical strength achieved ⁇ the, in particular a sufficiently high mechanical Festig ⁇ ness for the pressure loads of a vacuum insulated Befflel- ters.
  • a sufficiently high vacuum tightness and / or mechanical strength achieved ⁇ the, in particular a sufficiently high mechanical Festig ⁇ ness for the pressure loads of a vacuum insulated Beggil- ters.
  • all present cryostat walls can each be formed with a wall thickness in one of said regions.
  • the outer wall of the cryostat can advantageously be formed from a cold-tough alloy, in particular from stainless steel or from a titanium alloy. In the presence of an inner
  • Kryostatwand is such a cold-tough alloy in particular ⁇ also advantageous for the inner Kryostatwand, as it is typically maintained in operation at an even lower tempera ⁇ turrios.
  • the inner wall of the cryostat can be formed from such a material or comprise such a material.
  • Particularly suitable for this purpose are the material 304 stainless steel and Hastelloy or a titanium-aluminum-vanadium alloy, in particular of the type Ti6A14V.
  • the materials mentioned are particularly suitable for the mechanical requirements on the walls of a vacuum-insulated cryostat with advantageously low wall thickness.
  • the superconducting compensation coil has a circular cylindrical basic shape.
  • the outer wall of the cryostat is also preferably circular cylindrical.
  • the ratio between the outer diameter of the superconductive bucking coil and the outer diameter of the outer cryostat wall is in the range 0.900 to 0.999, insbesonde ⁇ re particularly preferably in the range from 0.950 to 0.999, in the range from 0.990 to 0.999.
  • the inserted from the superconducting compensation coil connected ⁇ space to make an appropriately high proportion of the area enclosed by the outer cryostat wall space.
  • this space filling is below 1, since the outer wall of the cryostat is intended to enclose the superconducting compensation coil in order to separate it from the warm external environment.
  • the space filling should be as high as possible, so that only a small annular volume is present between these two elements, so that only a small portion of the magnetic flux, namely the proportion between the outer cryostat wall and the outside of the compensation coil, for the induction We ⁇ belströmen and thus for electrical losses in the Cryostat wall is relevant.
  • the cryostat has an additional inner cryostat wall disposed radially within the outer cryostat wall.
  • This inner cryostat wall is also preferably arranged radially outside the superconducting compensation coil. Between inner and outer walls of the cryostat can then be suitably formed a vacuum space with an insulating vacuum.
  • the superconducting Kompensati ⁇ onsspule is arranged between the two Kryostat tilln.
  • the superconducting compensation coil as a superconducting coating directly on one of the two
  • Kryostatbib be applied. Particularly advantageous it can be applied to the inner wall of the cryostat, whereby it is thermally particularly well insulated against the warm external environment, since it is separated by the Isoliervakuum of the outer wall of the cryostat.
  • Such superconducting Be ⁇ coating can in principle be applied on both the radially inner side and on the radially outer side of the inner cryostat wall.
  • the superconductive bucking coil is configured as a separate, fingertra ⁇ constricting device, it is advantageous in any case, to arrange these compensation coil radially within both Kryostat dismissn.
  • the inner wall of the cryostat can also be filled with the materials, specific surfaces. chenleit concentrateen and / or wall thicknesses may be formed, as already described above in connection with the outer cryostat wall.
  • the radial distance between inner cryostat wall and outer cryostat wall can advantageously be in the range between 2 mm and 50 mm. A distance of at least 2 mm is advantageous ⁇ way to effect a sufficiently good thermal insulation by a present between the two annular Kryostat tilln vacuum. For this reason, said Ab ⁇ stand is also referred to as insulating distance.
  • This distance is intended to accurately describe the radial dimension of the gap between hold ⁇ rer and outer cryostat wall, it is al so ⁇ by the difference between the inner radius of the outer cryostat wall and the outer radius of the inner cryostat wall.
  • An Ab ⁇ stand of at most 50 mm is advantageous in order to achieve the highest possible space filling of the compensation coil within the outer Kryostatwand, as already described above in connection with the advantageous ratios of the respective outer diameter.
  • the radial distance between superconducting Kompensationsspu ⁇ le and inner Kryostatwand is preferably at most 30 mm. At the bottom, this radial distance is in principle not limited, since the superconducting compensation coil can be applied as described above as a direct coating on the inner wall of the cryostat. When the superconducting compensation coil is present as a separate element and not as Di ⁇ rektbe slaughterung on the inner cryostat wall but a minimum distance of for example 2 mm can be useful.
  • the said maximum distance of preferably at most 30 mm is particularly advantageous in order to reach a high space filling of the compensating coil within both Kryostat petitionn to he ⁇ . This causes that in total only a small part of the magnetic flux in the
  • Kryostat tilln accumulates and thus that the eddy current losses are kept relatively low in the Kryostat tilln.
  • outer and inner Kryostatwand and the inner Kryostatwand is preferably shaped circular cylindrical.
  • the compensation coil then advantageously has a circular cylindrical basic shape. Then it is generally advantageous if the ratio between thetician diemes ⁇ ser of the superconducting compensation coil and the outer diameter of the inner cryostat wall is in the range 0.950 to 0.999, more preferably is in the range from 0.990 to 0.999.
  • the advantages of such a high spatial filling of the compensation coil within the inner cryostat wall are analogous to the advantages described above for the space filling of the compensation coil within the outer
  • cryostat it is generally not necessary to have a double-walled cryostat with an insulating vacuum between the walls. Generally, it is also sufficient if the cryogenic interior of the cryostat is separated from the external environment by a single (outer) cryostat wall. Alterna ⁇ tive to the insulating vacuum can then be used, for example, a super isolation for thermal separation. However, such superinsulation can also be used particularly advantageously in combination with an insulating vacuum.
  • the electrical coil means may be a total of as being ⁇ staltet that during operation of the reactor at 16 2/3 Hz, 50 Hz or 60 Hz and currents up to 1250 A in the inner cryostat wall flows, a power loss by eddy occurs of at most 100 W , Such a low one
  • Power dissipation can be advantageously achieved with the above materials, conductivities and / or sizing.
  • Such a low power dissipation is also possible in that the inner cryostat wall is till ⁇ shields both through the more outwardly located outer cryostat wall and by the closer adjacent superconductive bucking coil and thus also has a minor in the inner cryostat wall gerer eddy current is induced than in the outer cryostat wall.
  • the electrical Spulenein- direction may be configured overall so that, in a loading ⁇ operating the reactor at 16 2/3 Hz, 50 Hz or 60 Hz and currents up to 4000 A in the outer cryostat wall, a power loss due to eddy currents exceeding 1000 W occurs ⁇ . Also, this limit can be advantageously achieved with the above materials, conductivities and / or dimensions. Due to the radially outward arrangement, the eddy current losses in the outer cryostat wall are generally higher than in the inner cryostat wall.
  • the electrical coil means may be positioned so ⁇ staltet that the ratio between the impedance of the choke coil with the compensation coil in the normal state and the impedance of the choke coil with the Kompensati ⁇ onsspule in the superconducting state is at least the fourth
  • This ratio which is also referred to as an impedance swing, is an important parameter for such a coil device in an inductive-resistive current limiter.
  • An impedance swing of 4 is considered a reasonable lower limit for such a current limiter in an AC network.
  • Such a high impedance swing can be achieved with the given dimensions despite the use of an annular metallic conductive cryostat wall.
  • the inner diameter of the choke coil can advantageously be in the range between 0.5 m and 5 m, in particular in the range between 1 m and 2 m.
  • Choke coils of such dimensions are particularly suitable for use in Strombe ⁇ limiters in typical AC grids, as they have a practicable and, inter alia, optimized on the conductor material geometry (for a given impedance of the choke coil), which is also used by users and accepted.
  • the choke coil and the compensation coil can generally advantageously have a common central axis. Such a coaxial arrangement is particularly useful in order to achieve as far as possible compensation of the total existing magnetic field in the interior and exterior of the choke coil to he ⁇ and thus to minimize the total inductance and forces on the compensation coil.
  • the central axis can expediently an axis of symmetry of the choke coil
  • the choke coil and the compensation coil can be, for example circular symmetry of reactor and / or Kompensa ⁇ tion coil, but it can also be a lower type of symmetry, for example, be a two or Rather fold rotational symmetry.
  • the choke coil and the compensation coil have the same symmetry properties.
  • the radial distance between the choke coil and compensation ⁇ can be kept particularly small coil advantageous, in particular, a uniform radial distance may be present.
  • the radial distance between the cryostat wall or the cryostat walls and the compensation coil can also be advantageously kept low.
  • the compensation coil may advantageously have a high-temperature superconducting material.
  • High-temperature superconductors are superconducting materials with a jump tempera ture above 25 K and some classes of materials, such as the cuprate superconductors, above 77 K, where the operating temperature can be achieved by cooling with other cryogenic materials as liquid helium. HTS materials are also particularly attractive because these materials can have high upper critical magnetic fields as well as high critical current densities, depending on the choice of operating temperature.
  • the high-temperature superconducting layer can comprise, for example, magnesium diboride or an oxide-ceramic superconductor, for example a compound of the REBa 2 Cu 30 x (REBCO) type, where RE is a rare-earth element or a mixture of such elements.
  • REBCO REBa 2 Cu 30 x
  • Metallic substrates are particularly suitable for depositing layers with REBCO compounds, since a prestructured substrate surface is advantageous for high quality of these superconducting layers, which if appropriate can also be provided with one or more intermediate layers as a growth substrate.
  • metallic superconductors can be used in the compensation coil.
  • the compensation coil may advantageously comprise at least one ring-shaped ⁇ shorted conductor element.
  • the compensation coil may also have a plurality of axially adjacent annular short-circuited conductor elements.
  • a plurality of conductor elements can be generally achieved that even with a limited conductor width, a predetermined axial length of the compensation coil can be Tar ⁇ covered, which may be greater than the conductor width.
  • the individual annular conductor elements may then be electrically insulated from each other, but they may alternatively be electrically connected.
  • the annular managerial may optionally be arranged to overlap in the axial direction, so that no axial gaps are present in the Leiterma ⁇ TERIAL the compensation coil.
  • the annular conductor element or the arrangement of a plurality of such annular conductor elements can advantageously be a coil arrangement with a cylindrical basic structure.
  • the compensating coil can advantageously have an annular ge ⁇ connected superconducting layer.
  • At least one annular conductor and through this ring continuously superconducting conductor can be induced by the changing magnetic field of the inductor ring currents, in turn, compensate for the magnetic field of the inductor, without causing ohmic losses.
  • ⁇ it is also possible depending ⁇ but and may be advantageous under certain circumstances to add a low resistance in the current path of the superconducting layer as an attenuator for DC components.
  • the compensation coil may comprise a superconducting conductor material which is electrically short-circuited via a superconducting or normally conducting connection piece with a low ohmic resistance.
  • the annular short-circuited Lei ⁇ terelement can be made by subsequent connection of the two ends of a superconducting conductor.
  • each individual windings may be as simple rings shorted ⁇ closed in itself, or there may be a plurality of angular fertilize a winding, the ends of which are shorted together. This may be, for example, a helical winding or a planar winding.
  • the subsequent contact may have been created, for example, by soldering the ends to a normal-conducting and / or superconducting material.
  • a normal-conducting and / or superconducting material So commercially avai ⁇ che conductor materials, such as superconducting Bandlei ⁇ ter on a metallic substrate, ver ⁇ turns easily can be.
  • the choke coil may advantageously be free from a soft magnetic core in its interior.
  • the choke coil can be dimensioned so that a relatively high inductance can be achieved in the short- circuit case even without an additional soft-magnetic core.
  • ⁇ mal ie in a superconducting state, the inductance of the compensation coil is so low that a sufficient Induktriosshub can be ensured by the action of the compensation coil anyway.
  • the coil means may comprise a soft magnetic core in the interior of the choke coil in order to achieve particular in the normal state of the compensation coil a higher Indukti ⁇ tivity of the coil device.
  • the magnetic field is so far offset in the area of this radially inner core, the inductance is in spite of the core low ge hold ⁇ in this state, and a large Indukt foundedshub of example, at least 4 can also be achieved in this embodiment.
  • the winding of the choke coil is preferably formed from a normal ⁇ conductive conductor.
  • the choke coil can be arranged so that it is not cooled by the cooling system of the coil device with the cryogenic temperature of the superconducting compensation coil, but that it is approximately at the temperature level of the warm Umge ⁇ exercise.
  • the winding of the choke coil is also a sup ⁇ ra redesignde winding and that this is cooled by the cooling ⁇ system to a cryogenic operating temperature.
  • the cryostat may, in particular, be a bath cryostat, in other words a coolant vessel for a liquid cryogenic coolant.
  • a liquid cryogenic coolant In the- Within the bath cryostat arranged superconducting Kompensa ⁇ tion coil can then be advantageously washed around by this liquid coolant.
  • This coolant can be, for example, liquefied nitrogen, hydrogen, helium or neon.
  • such a coolant bath can either substantially fill the volume lying radially inside the compensation coil, or else the coil device can be configured such that the bath cryostat defines an annular cylindrical coolant volume and a region lying radially inside the compensation coil is free of coolant ,
  • the bath cryostat defines an annular cylindrical coolant volume and a region lying radially inside the compensation coil is free of coolant
  • a further arrangement of one or more Kryostatwikin be provided radially within the compensation coil to limit the volume of coolant inside.
  • the axial extent of the compensation coil is equal to or greater than the axial extent of the choke coil.
  • Field strength can be compensated effectively in the axial end portions of the choke coil by the compensation coil. This is particularly important for rather short inductors, in which the axial extent of the inductor is not greater than its diameter.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective sectional view of a coil device according to an example of the invention
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of a current limiting device 17 with a coil device 1 according to an embodiment of the invention as a half ⁇ section through the center of the coil device 1 is shown. Shown is a arranged on the outer circumference throttle ⁇ coil 3, which surrounds the other components of the coil device 1 shown radially.
  • This choke coil 3 serves to limit a short-circuit current and / or to smooth the current profile in a higher-level circuit.
  • the choke coil 3 is connected via two terminals 19 to the circuit not shown here, in which the current I flows.
  • This circuit can be, for example, an AC medium-voltage network, but the choke coil 3 can also be designed quite generally for other industrial or local grids.
  • the choke coil can be designed 3, for example, for low voltage nets with interchangeable clamping ⁇ voltages between 100V and 1000V, alternatively, it may be medium voltage networks for voltages between AFR and 52kV or to high-voltage networks for voltages above 52kV.
  • the choke coil can be designed in particular for a power range of at least 250 kVA, in particular at least 400 kVA or even at least 630 kVA.
  • a cryostat 13 is arranged, which is configured in this example as a bath cryostat and a coolant 14 includes.
  • the cryostat an arrangement of a plurality of superconducting conductor elements 7 is arranged, which conductor elements 7 are respectively short-circuited as connected rings made of superconducting strip conductor material 8 before ⁇ . Due to the magnetic field generated by the choke coil, a ring current is induced in the annular conductor elements 7. Due to the superconducting properties of the strip conductor 8, this ring current flows almost lossless.
  • the coolant 14 within the cryostat 13 the supra ⁇ conductive conductor elements 7 are cooled to an operating temperature below its transition temperature. The induced ring currents cause a shielding of the magnetic field of the reactor. In this way, the inductance of the choke coil 3 and thus the impedance of the entire coil device 1 is significantly reduced in the parent circuit, whereby the electrical reactive power can be kept low.
  • the relative dimensions of the individual elements are only very schematic and not to scale reproduced. In particular, the diameters of the individual cylindrical elements are much closer to each other, as it appears in the schematic figure 1. This becomes clear from the numerical values below.
  • the two Kryostatdonn Zvi ⁇ rule is formed 15a and 15b, a vacuum chamber V. This insulating vacuum thermal separation of the cooled interior of the cryostat 13 is achieved by the warm outer environment. To cool the interior, this is filled with the coolant 14.
  • the two cryostat walls 15a and 15b are formed in the present example from type 304 stainless steel and with a wall thickness of 4 mm.
  • the thickness d5 denotes the wall thickness of the inner cryostat wall 15b and the thickness d6 the wall thickness of the outer cryostat wall 15a.
  • the insulating distance d4 formed radially between the two cryostat walls should here be 10 mm.
  • the wall thickness d6 of the outer cryostat wall 15a is 5 mm and the wall thickness d5 of the inner cryostat wall 15b is only 3 mm. Even with this alternative distribution of the same summed wall thickness, there is also a summed specific area conductivity of 13 kS in total.
  • the throttle internal diameter d8 is in this further
  • Example 1316 mm The outer diameter dl of the superconducting compensation coil is 1232 mm.
  • the distance d7 between the compensation coil 5 and the inner cryostat wall 15b is 4 mm in this example.
  • a ratio between the outer diameter d1 of the superconducting compensation coil 5 and the outer diameter d2 of the inner cryostat wall 15b of 1232 mm / 1248 0.987 results.
  • the slightly higher insulation distance for this example results from the other mentioned values. The lower the insulation distance is chosen, the greater the said ratio dl / d3 can be advantageous.
  • the space filling of the superconducting compensation coil 5 advantageously so high that the eddy current losses are relatively low.
  • the current limiter device 17 operates at a nominal current of 600 A and a mains frequency of 50 Hz, the specified materials and dimensions in the superconducting state of the compensation coil 5 result in a power loss in the outer cryostat wall 15a of approximately 800 W and a power loss in the inner cryostat wall 15b of about 60 W.
  • the effect of the shielding by this compensation coil 5 is reduced and the eddy current losses become smaller also rise in the cryostat walls.
  • eddy current losses in the range of 4 MW and in the inner cryostat wall eddy current losses in the range of 2 MW may arise in the outer cryostat wall.
  • Impedanzhub in turn becomes larger.
  • an impedance swing in the region of at least 4 relevant for use as a current limiter can also be achieved with electrically conductive cryostat walls. Due to the costs associated with the eddy currents loss Leis ⁇ tung the Kryostat tilln must be slightly stronger cooled than when using electrically non-conductive materials. Further, that the coil device in the fault current case, after a relatively short time will be disconnected from the grid, so that the high currents do not flow in the leitfä ⁇ ELIGIBLE Kryostat tilln over a longer period must be ensured. A separation of the arrangement from the network within about 100 ms is generally useful here.
  • a material Titanlegie ⁇ tion can be used as the material of Kryostatschreib.
  • the Ti6A14V alloy together with the use of wall thicknesses of 5 mm each are suitable for the inner and outer walls of the cryostat. With these values, a specific area conductivity of 3 kS per
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the invention in a schematic cross section.
  • This example differs from that of Figure 1 essentially by a slightly different geometric arrangement of the superconducting compensation coil 5 within the cryostat 13.
  • the superconducting compensation coil is arranged radially inside the inner of two nested Kryostat tilln 15a and 15b. Likewise, here is between these two
  • Kryostat tilln provided a vacuum space V with an insulating vacuum.
  • the superconductive bucking coil is all ⁇ recently, in contrast to Figure 1 not directly deposited as a self-supporting component, but as a superconducting layer 9 on the radially inner side of the inner cryostat wall 15b here.
  • the radial distance between the superconducting compensation coil 9 and the inner cryostat wall 15b is therefore zero here.
  • even an even higher filling of the space of the compensation coil 5 within the cryostat 13 is achieved.
  • the eddy current losses are even lower and a higher impedance swing can be achieved.
  • the remaining configuration of the coil device 1 is comparable to that in FIG. 1.
  • the interior of the inner cryostat wall 15b is also provided with a liquid coolant 14, for example liquid
  • FIG 3 shows a further embodiment of the invention with a further alternative geometric arrangement of the compensation coil 5.
  • the conductive supra ⁇ compensation coil 5 is applied as a superconducting layer 9 di- rectly on the inner cryostat wall 15b.
  • the superconducting layer 9 here depending ⁇ but on the radially outer side of the cryostat 15b deposited.
  • the superconducting layer 9 is thus arranged in ⁇ nerrenz the vacuum space V between the two Kryostatrentn 15a and 15b.
  • Layer 9 is located radially within the main part of the vacuum space V, a good thermal separation between the superconducting layer 9 and the warm outer environment outside the outer cryostat wall 15a is also achieved here.
  • An advantage of this embodiment is that the inner cryostat wall 15b is completely within the shielded space inside the Kompensa ⁇ tion coil. 5 As a result, eddy current losses in the inner cryostat wall 15b are largely avoided. Is too ⁇ sharmaji advantage that the radial distance between superconductive bucking coil 5 and outer cryostat wall can be made particularly low by this arrangement 15a. In this way, a particularly large ratio between the outer diameter of the compensation coil dl and the outer diameter of the outer cryostat wall d3 can be achieved.
  • dl may be 1250 mm and d3 is 1258 mm, so the responsive ratio is 0.9936.
  • FIG. 4 shows a further preferred exemplary embodiment of the invention with a further alternative geometric arrangement of compensation coil 5 and cryostat 13.
  • the cryostat 13 has an outer cryostat wall 15a and an inner cryostat wall 15b, wherein a vacuum space V is again arranged between these two walls to ensure good thermal insulation across the double wall borrowed.
  • the superconducting compensation coil 5 is arranged here as a self-supporting element within the inner cryostat wall 15b. It is washed by a liquid coolant 14 by ⁇ , but which does not measures the entire interior volume, but only an annular cavity between the inner cryostat wall 15b and an even more inner third cryostat 15c fills.
  • a fourth cryostat wall 15d Radially inside the drit ⁇ th cryostat wall 15c, a fourth cryostat wall 15d is also provided, the Wiedemann rum forms together with the third cryostat wall a double-walled limitation. Also, between the third cryostat wall 15c and the fourth cryostat wall 15d, a vacuum space V is again formed, which serves here for thermal insulation with respect to radially further inner regions. Since the fourth cryostat are within the compensation coil 5, fal ⁇ len in these two walls no significant eddy current losses in both the third. Therefore, all of the four cryostat walls 15a to 15d may be formed of metallic material, and only the outer two cryostat walls contribute significantly in normal operation to the electrical losses and to the resistive portion of the choke impedance.

Abstract

Es wird eine elektrische Spuleneinrichtung (1) mit – einer Drosselspule (3), – einer supraleitenden Kompensationsspule (5), die innerhalb der Drosselspule (3) angeordnet ist, und – einer Kühleinrichtung für die supraleitende Kompensationsspule (5) angegeben, wobei die Kühleinrichtung einen Kryostaten (13) mit wenigstens einer äußeren Kryostatwand (15a) umfasst, wobei diese äußere Kryostatwand (15a) eine zylinderförmige, durchgehend metallische Wand ist, die radial zwischen Drosselspule (3) und supraleitender Kompensationsspule (5) angeordnet ist. Weiterhin wird eine induktiv-resistive Strombegrenzereinrichtung (17) mit einer derartigen elektrischen Spuleneinrichtung (1) angegeben.

Description

Beschreibung
Elektrische Spuleneinrichtung zur Strombegrenzung mit
Kryostat
Die Erfindung betrifft eine elektrische Spuleneinrichtung mit einer Drosselspule, einer supraleitenden Kompensationsspule und einer Kühleinrichtung für die Kompensationsspule, wobei die Kühleinrichtung einen Kryostaten mit wenigstens einer äußeren Kryostatwand umfasst. Weiterhin betrifft die Erfin¬ dung eine induktiv-resistive Strombegrenzereinrichtung mit einer solchen elektrischen Spuleneinrichtung.
Drosselspulen stellen induktive Wechselstromwiderstände dar, die oft zur Begrenzung von Kurzschlussströmen sowie zur Reduzierung hochfrequenter Stromanteile auf elektrischen Leitungen eingesetzt werden. Sie weisen meist einen geringen
Gleichstromwiderstand auf, so dass die Gleichstromverluste hierbei gering gehalten werden können. In Wechselstromnetzen können Drosselspulen auch in Serie mit einem Verbraucher geschaltet werden, um als Vorwiderstand zu wirken und so die an dem Verbraucher anliegende Wechselspannung zu reduzieren.
In Wechselspannungs-Mittelspannungsnetzen werden typischer- weise Drosselspulen mit Wicklungen aus normalleitenden Materialien wie Kupfer oder Aluminium zur Strombegrenzung oder zur Glättung der Stromverläufe eingesetzt. Der Einsatz sol¬ cher Drosselspulen dient zur Begrenzung von Kurzschlussströmen, was im Zuge der Energiewende, insbesondere bei der Ein- Speisung von elektrischer Energie durch eine Vielzahl von dezentralen Energieeinspeiser, von immer größerer Bedeutung ist. Konventionelle Drosselspulen haben jedoch eine negative Auswirkung auf die Netzstabilität im Normalbetrieb. Um die Stabilität von elektrischen Wechselspannungsnetzen zu erhö- hen, ist es besonders wünschenswert, dass im Normalbetrieb die Induktivität der Drosselspule klein ist, dass sie jedoch im Störfall oder Strombegrenzungsfall schnell einen hohen Wert annimmt. In der DE 10 2010 007 087 AI ist eine Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz beschrieben. Bei dem dort beschriebenen Strombegrenzer wird durch den Einsatz einer supraleitenden Spule im Innern einer Drosselspule die Induktivität und damit die Impedanz der Drosselspu¬ le signifikant reduziert. Dies geschieht durch Ströme, die in der supraleitenden Spule induziert werden und die das Magnet¬ feld der Drosselspule im Normalbetrieb kompensieren. Bei Überschreiten eines bestimmten Stromwertes geht der Supralei¬ ter in den normalleitenden Zustand über und vergrößert die Induktivität, wodurch der Strom begrenzt wird. Nach dem Ab¬ schalten des zu hohen Stroms geht der Supraleiter nach kurzer Zeit wieder selbstständig in den supraleitenden Zustand zu- rück und der Normalbetrieb kann wieder aufgenommen werden.
Beim Betrieb des Strombegrenzers muss die supraleitende Kom¬ pensationsspule auf eine kryogene Betriebstemperatur unter¬ halb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden. Diese Betriebstemperatur kann beispielsweise in einem Bereich von 90 K oder tiefer, insbesondere in einem Bereich von 77 K oder tiefer liegen. Um dies zu erreichen, weisen bekannte Strombegrenzer mit supraleitenden Kompensationsspulen Kühleinrichtungen auf, wobei eine solche Kühleinrichtung einen Kryostaten - also ein Kühlgefäß - umfasst, der die supralei¬ tende Kompensationsspule umschließt.
Bei bisherigen, als Prototypen aufgebauten Strombegrenzern mit Drosselspule und innenliegender supraleitender Kompensa- tionsspule wurde die Kühlung des supraleitenden Materials ty¬ pischerweise dadurch realisiert, dass der Supraleiter durch einen Badkryostaten, der innerhalb der Drosselspule angeord¬ net ist, gekühlt wird. Und beim Betrieb des Strombegrenzers in einem Wechselstromnetz die Induktion von Wirbelströmen in den Wänden des Kryostaten zu vermeiden, wurden bei den bisher bekannten derartigen Strombegrenzern Kryostatwände aus nicht leitenden Materialien verwendet. Hierbei kommen typischerwei¬ se Verbundmaterialien wie glasfaserverstärkter Kunststoff zum Einsatz. Hierdurch kann die Entstehung von Wechselstromverlusten durch Wirbelströme im Kryostatmaterial vorteilhaft vermieden werden. Nachteilig ist jedoch dabei, dass die Her¬ stellung eines Kryostaten aus einem solchen Verbundmaterial aufwendiger ist als bei metallischen Kryostatwänden, dass die mechanische Stabilität geringer ist und dass die Vakuumdich¬ tigkeit geringer ist als bei metallischen Materialien. Kryostaten mit metallischen Kryostatwänden kommen nach dem Stand der Technik bei anderen supraleitenden Anwendungen zum Ein- satz, beispielsweise zur Kühlung von supraleitenden Magnetspulen. Aufgrund der Wirbelströme bei den beschriebenen
Strombegrenzern mit Drosselspulen wurden sie für solche Anwendungen jedoch bisher nicht eingesetzt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektrische Spuleneinrichtung zur Strombegrenzung anzugeben, welche eine Drosselspule und eine innenliegende supraleitende Kompensationsspule umfasst, und bei welcher der Aufbau des Kryostaten gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine induktiv- resistive Strombegrenzereinrichtung mit einer derartigen Verbesserung anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene elektrische Spuleneinrichtung und die in Anspruch 15 beschriebene Strombegrenzereinrichtung gelöst. Die erfindungs¬ gemäße elektrische Spuleneinrichtung weist eine Drosselspule und eine supraleitende Kompensationsspule auf, die innerhalb der Drosselspule angeordnet ist. Weiterhin weist die Spulen- einrichtung eine Kühleinrichtung für die supraleitende Kompensationsspule auf, wobei die Kühleinrichtung einen Kryo¬ staten mit wenigstens einer äußeren Kryostatwand umfasst. Diese Kryostatwand ist eine zylinderförmige, durchgehend me¬ tallische Wand, die radial zwischen Drosselspule und supra- leitender Kompensationsspule angeordnet ist.
Wesentliche Vorteile der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung liegen darin, dass die metallische Kryostatwand einfacher zu fertigen, vakuumdichter und mechanisch stabiler ist als eine entsprechende aus einem Glasfaserverbundwerkstoff hergestell¬ te Kryostatwand. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass auch in einer gattungsgemäßen Spuleneinrichtung eine me- tallische Kryostatwand zum Einsatz kommen kann. Die beim Be¬ trieb in einem Wechselstromnetz in der Kryostatwand zwangsläufig induzierten Wechselströme können dabei toleriert wer¬ den, insbesondere wenn die weiter unten beschriebenen vorteilhaften Dimensionierungen eingehalten werden. Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass die zylinderförmige Kryostatwand durchgehend metallisch und somit über den Umfang des Zylinders hinweg durchgehend leitfähig ist. Es soll hier also insbesondere keine Unterbrechung des leitfähigen Pfades in der Kryostatwand eingeführt werden, was die Herstellbarkeit einer solchen Kryostatwand entscheidend erleichtert .
Unter dem Begriff „zylinderförmig" soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verstanden werden, dass es sich bei dem jeweiligen Element um einen Körper nach der allgemeinen geometrischen Definition eines geraden Zylinders handelt, also um einen Körper, der durch Verschiebung einer ebenen Grundfläche entlang einer zu ihr senkrecht stehenden Gerade entsteht. Die Form ist hier also nicht auf Zylinder mit kreisförmiger Grundfläche beschränkt. Allerdings sind kreis¬ förmige zylindrische Strukturen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, da sie eine Struktur mit besonders hoher Symmetrie darstellen. Neben der zylindrischen Kryostatwand können insbesondere auch die Drosselspule und/oder die supraleitende Kompensationsspu¬ le zylinderförmige Grundformen aufweisen. Eine derartige An¬ ordnung von ineinander gestapelten Zylindern ist besonders zweckmäßig, um eine möglichst dichte Packung der einzelnen Komponenten zu erreichen. Hierzu können die Grundformen der einzelnen Zylinder einander ähnlich sein, wobei sie sich dann nur durch ihre Größe unterscheiden. Insbesondere kann sich bei allen Elementen und kreiszylindrischer Strukturen handeln .
Unter der beschriebenen Anordnung der metallischen
Kryostatwand „radial zwischen" Drosselspule und Kompensati¬ onsspule ist zu verstehen, dass die Kryostatwand die Kompen¬ sationsspule umschließt und dass die Drosselspule die
Kryostatwand umschließt. Der Begriff „radial" bezieht sich dabei generell auf die Richtung senkrecht zur Zylinderachse der Kryostatwand, wobei diese Zylinderachse zweckmäßig auch eine zentrale Symmetrieachse der gesamten Spuleneinrichtung ist .
Die erfindungsgemäße induktiv-resistive Strombegrenzerein- richtung umfasst eine derartige erfindungsgemäße elektrische Spuleneinrichtung. Dabei ergeben sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Strombegrenzereinrichtung analog zu den beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen elektrischen Spuleneinrichtung .
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der elektrischen Spuleneinrichtung und der Strombegrenzereinrichtung allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
Die äußere Kryostatwand kann auf ihrer Zylinder-Mantelfläche eine spezifische Flächenleitfähigkeit zwischen 2,5 kS und 25 kS aufweisen. Unter der spezifischen Flächenleitfähigkeit soll hier allgemein das Inverse des spezifischen Flächenwiderstands RQuacirat verstanden werden. Mit anderen Worten ist die spezifische Flächenleitfähigkeit eines flächenhaften Ele¬ ments gleich der spezifischen Leitfähigkeit seines Materials multipliziert mit der Schichtdicke, wobei die relevante
Schichtdicke hier die Wandstärke der jeweiligen Kryostatwand ist. Dabei gilt der oben angegebene vorteilhafte Bereich hier für die nur mit einer, nämlich hier der genannten äußeren Kryostatwand erreichte Leitfähigkeit. Wenn mehr elektrisch leitfähige Wände als nur diese eine Kryostatwand vorliegen, dann ist es vorteilhaft, wenn die Summe der spezifischen Flä¬ chenleitfähigkeiten von allen ringförmig elektrisch leitenden Elementen des Kryostaten in einem Bereich zwischen 5 kS und 50 kS liegt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Summe al¬ ler derartigen spezifischen Flächenleitfähigkeiten im Bereich zwischen 3 kS und 30 kS, insbesondere zwischen 5 kS und 15 kS liegt .
Der Vorteil der oben beschriebenen Leitfähigkeitsbereiche liegt insbesondere darin, dass mit diesen Werten einerseits eine metallische zylindrische Wand mit ausreichend hoher me¬ chanischer Festigkeit geschaffen werden kann, dass aber ande- rerseits die beim Betrieb in einem Wechselstromnetz auftre¬ tenden Wirbelstromverluste ausreichend gering gehalten werden können. Die Untergrenze des Leitfähigkeitsbereichs ergibt sich daraus, dass mit den typischerweise eingesetzten metal¬ lischen Materialien hier Wandstärken von wenigen Millimetern möglich sind. Die Obergrenze des Leitfähigkeitsbereichs ergibt sich aus der Anforderung, dass die Wirbelstromverluste gering genug bleiben sollen, um ein ausreichend hohes Verhältnis der Drosselimpedanz zwischen supraleitendem Zustand und normalleitendem Zustand der Kompensationsspule zu errei- chen.
Die Wandstärke der äußeren Kryostatwand liegt vorteilhaft zwischen 2 mm und 8 mm, besonders vorteilhaft zwischen 3 mm und 6 mm, insbesondere zwischen 4 mm und 5 mm. Mit Wandstär- ken in den genannten Bereichen kann mit den weiter unten genannten vorteilhaften Materialien eine ausreichend hohe Vakuumdichtigkeit und/oder mechanische Festigkeit erreicht wer¬ den, insbesondere eine ausreichend hohe mechanische Festig¬ keit für die Druckbelastungen eines vakuumisolierten Behäl- ters . Bei Ausführungsformen, bei denen mehr als nur die genannte äußere Kryostatwand vorliegt, können insbesondere alle vorliegenden Kryostatwänden jeweils mit einer Wandstärke in einem der genannten Bereiche gebildet sein. Die äußere Kryostatwand kann vorteilhaft aus einer kaltzähen Legierung, insbesondere aus Edelstahl oder aus einer Titanlegierung gebildet sein. Bei Vorliegen einer inneren
Kryostatwand ist eine derartige kaltzähe Legierung insbeson¬ dere auch für die innere Kryostatwand vorteilhaft, da diese typischerweise im Betrieb auf einem noch niedrigeren Tempera¬ turniveau gehalten wird. So kann beispielsweise auch nur die innere Kryostatwand aus einem solchen Material gebildet sein oder ein solches Material umfassen. Besonders eignen sich hierfür das Material Edelstahl 304 sowie Hastelloy oder eine Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung, insbesondere des Typs Ti6A14V. Die genannten Materialien eignen sich besonders für die mechanischen Anforderungen an die Wände eines vakuumiso- Herten Kryostaten mit vorteilhaft geringer Wandstärke.
Bevorzugt weist die supraleitende Kompensationsspule eine kreiszylinderförmige Grundform auf. Außerdem ist die äußere Kryostatwand ebenfalls bevorzugt kreiszylindrisch geformt. Bei einer derartigen Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser der supraleitenden Kompensationsspule und dem Außendurchmesser der äußeren Kryostatwand im Bereich zwischen 0,900 und 0,999, insbesonde¬ re im Bereich zwischen 0,950 und 0,999, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,990 und 0,999 liegt. Mit anderen Worten soll der von der supraleitenden Kompensationsspule einge¬ schlossene Raum einen entsprechend hohen Anteil des von der äußeren Kryostatwand eingeschlossenen Raums ausmachen. Diese Raumausfüllung liegt definitionsgemäß unterhalb von 1, da ja die äußere Kryostatwand die supraleitende Kompensationsspule umschließen soll, um sie von der warmen äußeren Umgebung abzutrennen. Abgesehen von dieser Limitierung soll die Raumausfüllung aber möglichst hoch sein, damit zwischen diesen beiden Elementen nur ein geringes ringförmiges Volumen vorliegt, sodass auch nur ein geringer Anteil des magnetischen Flusses, nämlich der Anteil zwischen der äußeren Kryostatwand und der Außenseite der Kompensationsspule, für die Induktion von Wir¬ belströmen und somit für elektrische Verluste in der Kryostatwand relevant ist. Mit einer derartigen Dimensionie¬ rung wird erreicht, dass trotz einer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit der äußeren Kryostatwand in den oben ge¬ nannten Leitfähigkeitsbereichen die Verluste durch Wirbel- ströme ausreichend gering gehalten werden können, um trotzdem einen ausreichend hohen Impedanzhub zu erzielen.
Bei einer allgemein besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Kryostat eine zusätzliche innere Kryostatwand auf, welche radial innerhalb der äußeren Kryostatwand angeordnet ist. Auch diese innere Kryostatwand ist bevorzugt radial außerhalb der supraleitenden Kompensationsspule angeordnet. Zwischen innerer und äußerer Kryostatwand kann dann zweckmäßig ein Vakuumraum mit einem Isoliervakuum ausgebildet sein.
Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform mit der Kompensationsspule innerhalb der beiden Kryostatwänden kann es aber auch vorgesehen sein, dass die supraleitende Kompensati¬ onsspule zwischen den beiden Kryostatwänden angeordnet ist. Beispielsweise kann die supraleitende Kompensationsspule als supraleitende Beschichtung direkt auf einer der beiden
Kryostatwände aufgebracht sein. Besonders vorteilhaft kann sie auf der inneren Kryostatwand aufgebracht sein, wodurch sie thermisch besonders gut gegen die warme äußere Umgebung isoliert ist, da sie durch das Isoliervakuum von der äußeren Kryostatwand getrennt ist. Eine derartige supraleitende Be¬ schichtung kann prinzipiell sowohl auf der radial innen liegenden Seite als auch auf der radial außen liegenden Seite der inneren Kryostatwand aufgebracht sein. Wenn allerdings die supraleitende Kompensationsspule als separates, freitra¬ gendes Bauteil ausgestaltet ist, dann ist es in jedem Fall vorteilhaft, diese Kompensationsspule radial innerhalb beider Kryostatwänden anzuordnen. Allgemein und unabhängig von der geometrischen Anordnung der Kompensationsspule relativ zu der inneren Kryostatwand kann bei den Ausführungsformen mit zwei Kryostatwänden auch die innere Kryostatwand mit den Materialien, spezifischen Flä- chenleitfähigkeiten und/oder Wandstärken ausgebildet sein, wie oben bereits im Zusammenhang mit der äußeren Kryostatwand beschrieben . Der radiale Abstand zwischen innerer Kryostatwand und äußerer Kryostatwand kann vorteilhaft im Bereich zwischen 2 mm und 50 mm liegen. Ein Abstand von wenigstens 2 mm ist vorteil¬ haft, um eine ausreichend gute thermische Isolation durch ein zwischen den beiden Kryostatwänden vorliegendes ringförmiges Vakuum zu bewirken. Aus diesem Grund wird der genannte Ab¬ stand auch als Isolierabstand bezeichnet. Dieser Abstand soll genau die radiale Abmessung des Zwischenraums zwischen inne¬ rer und äußerer Kryostatwand beschreiben, es handelt sich al¬ so um die Differenz zwischen innerem Radius der äußeren Kryo- statwand und äußerem Radius der inneren Kryostatwand. Ein Ab¬ stand von höchstens 50 mm ist vorteilhaft, um eine möglichst hohe Raumausfüllung der Kompensationsspule innerhalb der äußeren Kryostatwand zu erreichen, wie bereits weiter oben im Zusammenhang mit den vorteilhaften Verhältnissen der jeweili- gen Außendurchmesser beschrieben.
Der radiale Abstand zwischen supraleitender Kompensationsspu¬ le und innerer Kryostatwand liegt bevorzugt bei höchstens 30 mm. Nach unten hin ist dieser radiale Abstand grundsätz- lieh nicht begrenzt, denn die supraleitende Kompensationsspu¬ le kann wie oben beschrieben als Direktbeschichtung auf der inneren Kryostatwand aufgebracht sein. Wenn die supraleitende Kompensationsspule als separates Element und nicht als Di¬ rektbeschichtung auf der inneren Kryostatwand vorliegt, kann jedoch ein Mindestabstand von beispielsweise 2 mm sinnvoll sein. Der genannte maximale Abstand von bevorzugt höchstens 30 mm ist besonders vorteilhaft, um eine hohe Raumausfüllung der Kompensationsspule innerhalb beider Kryostatwänden zu er¬ reichen. Hierdurch wird bewirkt, dass insgesamt nur ein klei- ner Teil des magnetischen Flusses im Bereich der
Kryostatwänden anfällt und dass somit die Wirbelstromverluste in den Kryostatwänden vergleichsweise niedrig gehalten werden . Bei Ausführungsformen mit äußerer und innerer Kryostatwand ist auch die innere Kryostatwand bevorzugt kreiszylindrisch geformt. Auch die Kompensationsspule weist dann vorteilhaft eine kreiszylindrische Grundform auf. Dann ist es allgemein vorteilhaft, wenn das Verhältnis zwischen dem Außendurchmes¬ ser der supraleitenden Kompensationsspule und dem Außendurchmesser der inneren Kryostatwand im Bereich zwischen 0,950 und 0,999, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,990 und 0,999 liegt. Die Vorteile einer solchen hohen Raumausfüllung der Kompensationsspule innerhalb der inneren Kryostatwand sind analog zu den oben beschriebenen Vorteilen für die Raumausfüllung der Kompensationsspule innerhalb der äußeren
Kryostatwand .
Es ist jedoch generell nicht zwingend erforderlich, dass ein doppelwandiger Kryostat mit einem Isoliervakuum zwischen den Wänden vorliegt. Allgemein reicht es auch aus, wenn das kryogene Innere des Kryostaten durch eine einzelne (äußere) Kryostatwand von der äußeren Umgebung getrennt ist. Alterna¬ tiv zu dem Isoliervakuum kann dann beispielsweise eine Super- isolation zur thermischen Trennung eingesetzt werden. Eine solche Superisolation kann aber besonders vorteilhaft auch in Kombination mit einem Isoliervakuum zum Einsatz kommen.
Die elektrische Spuleneinrichtung kann insgesamt so ausge¬ staltet sein, dass bei einem Betrieb der Drosselspule bei 16 2/3 Hz, 50 Hz oder 60 Hz und Stromstärken bis zu 1250 A in der inneren Kryostatwand eine Verlustleistung durch Wirbel- ströme von höchstens 100 W auftritt. Eine derart niedrige
Verlustleistung kann vorteilhaft mit den oben genannten Materialien, Leitfähigkeiten und/oder Dimensionierungen erreicht werden. Eine derart niedrige Verlustleistung wird auch dadurch möglich, dass die innere Kryostatwand sowohl durch die weiter außen liegende äußere Kryostatwand als auch durch die näher benachbarte supraleitende Kompensationsspule abge¬ schirmt ist und somit in der inneren Kryostatwand ein gerin- gerer Wirbelstrom induziert wird als in der äußeren Kryostatwand .
Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Spulenein- richtung insgesamt so ausgestaltet sein, dass bei einem Be¬ trieb der Drosselspule bei 16 2/3 Hz, 50 Hz oder 60 Hz und Stromstärken bis zu 4000 A in der äußeren Kryostatwand eine Verlustleistung durch Wirbelströme von höchstens 1000 W auf¬ tritt. Auch dieser Grenzwert kann vorteilhaft mit den oben genannten Materialien, Leitfähigkeiten und/oder Dimensionierungen erreicht werden. Durch die radial weiter außen liegende Anordnung sind die Wirbelstromverluste in der äußeren Kryostatwand allgemein höher als in der inneren Kryostatwand. Insgesamt kann die elektrische Spuleneinrichtung so ausge¬ staltet sein, dass das Verhältnis zwischen der Impedanz der Drosselspule mit der Kompensationsspule im normalleitenden Zustand und der Impedanz der Drosselspule mit der Kompensati¬ onsspule im supraleitenden Zustand bei wenigstens 4 liegt. Dieses Verhältnis, welches auch als Impedanzhub bezeichnet wird, ist eine wichtige Kenngröße für eine derartige Spulen¬ einrichtung in einem induktiv-resistiven Strombegrenzer. Ein Impedanzhub von 4 wird als sinnvolle untere Grenze für einen solchen Strombegrenzer in einem Wechselstromnetz angesehen. Ein derartig hoher Impedanzhub kann mit den angegebenen Dimensionierungen trotz der Verwendung einer ringförmigen metallisch leitfähigen Kryostatwand erreicht werden.
Der Innendurchmesser der Drosselspule kann vorteilhaft im Be- reich zwischen 0,5 m und 5 m, insbesondere im Bereich zwischen 1 m und 2 m liegen. Drosselspulen mit derartigen Abmessungen sind besonders geeignet für die Verwendung in Strombe¬ grenzern in typischen Wechselstromnetzen, da sie eine praktikable und unter anderem auf den Leitermaterialeinsatz opti- mierte Geometrie aufweisen (bei gegebener Impedanz der Drosselspule) , die zudem von Anwendern gewohnt und akzeptiert ist . Die Drosselspule und die Kompensationsspule können allgemein vorteilhaft eine gemeinsame zentrale Achse aufweisen. Eine solche koaxiale Anordnung ist besonders zweckmäßig, um eine möglichst weitgehende Kompensation des insgesamt vorliegenden Magnetfeldes im Inneren und Äußeren der Drosselspule zu er¬ reichen und somit die Gesamt-Induktivität sowie Kräfte auf die Kompensationsspule zu minimieren. Die zentrale Achse kann dabei zweckmäßig eine Symmetrieachse der Drosselspule
und/oder der Kompensationsspule sein. Dabei kann beispiels- weise eine Kreissymmetrie von Drosselspule und/oder Kompensa¬ tionsspule vorliegen, es kann sich aber auch um eine niedrigere Art der Symmetrie, beispielsweise eine zwei- oder viel- zählige Rotationssymmetrie handeln. Besonders vorteilhaft weisen Drosselspule und Kompensationsspule die gleichen Sym- metrieeigenschaften auf. Durch eine solche ähnliche Form kann der radiale Abstand zwischen Drosselspule und Kompensations¬ spule vorteilhaft besonders klein gehalten werden, insbesondere kann ein einheitlicher radialer Abstand vorliegen. Bei einer solchen Ausführungsform kann entsprechend auch der ra- diale Abstand zwischen der Kryostatwand beziehungsweise den Kryostatwänden und der Kompensationsspule vorteilhaft gering gehalten werden.
Die Kompensationsspule kann vorteilhaft ein hochtemperatur- supraleitendes Material aufweisen. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtempera¬ tur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb besonders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnetfelder sowie hohe kritische Stromdichten aufweisen können. Die hochtemperatursupraleiten- de Schicht kann beispielsweise Magnesiumdiborid oder einen oxidkeramischen Supraleiter, beispielsweise eine Verbindung des Typs REBa2Cu30x (kurz REBCO) aufweisen, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemen- te steht. Zur Abscheidung von Schichten mit REBCO-Verbin- dungen eignen sich besonders metallische Substrate, da für eine hohe Qualität dieser supraleitenden Schichten eine vorstrukturierte Substratoberfläche vorteilhaft ist, die gegebe- nenfalls auch mit einer oder mehreren Zwischenschichten als Wachstumsunterlage versehen sein kann. Alternativ zu den genannten Materialien können aber auch metallische Supraleiter in der Kompensationsspule zum Einsatz kommen. Die Kompensationsspule kann vorteilhaft wenigstens ein ring¬ förmig kurzgeschlossenes Leiterelement umfassen. Darin können durch das sich ändernde Magnetfeld der Drosselspule in der umgebenden Kompensationsspule Ringströme induziert werden, die ihrerseits das Magnetfeld der Drosselspule kompensieren. Auf diese Weise wird im Inneren des wenigstens einen ringför¬ migen Leiterelements der Betrag der magnetischen Feldstärke reduziert, was die Induktivität und somit auch die Impedanz der Drosselspule gegenüber einer nicht derart feldkompensierten Anordnung deutlich reduziert.
Die Kompensationsspule kann auch mehrere axial benachbarte ringförmig kurzgeschlossene Leiterelemente aufweisen. Durch eine solche Mehrzahl von Leiterelementen kann allgemein erreicht werden, dass auch bei einer begrenzten Leiterbreite eine vorgegebene axiale Länge der Kompensationsspule abge¬ deckt werden kann, die größer als die Leiterbreite sein kann. Die einzelnen ringförmigen Leiterelemente können dann elektrisch gegeneinander isoliert sein, sie können jedoch alternativ auch elektrisch verbunden sein. Die ringförmigen Lei- terelemente können optional in axialer Richtung überlappend angeordnet sein, damit keine axialen Lücken in dem Leiterma¬ terial der Kompensationsspule vorliegen.
Allgemein kann es sich bei dem ringförmigen Leiterelement oder der Anordnung von mehreren solchen ringförmigen Leiterelementen vorteilhaft um eine Spulenanordnung mit zylindrischem Grundaufbau handeln. Die Kompensationsspule kann vorteilhaft eine ringförmig ge¬ schlossene supraleitende Schicht aufweisen. Unter einer ring¬ förmig geschlossenen supraleitenden Schicht soll hierbei eine durchgehend supraleitende Schicht verstanden werden, die durch einheitliches supraleitendes Material in sich ringför¬ mig geschlossen ist. Es sollen dann also keine zusätzlichen elektrischen Kontakte vorliegen, bei denen das supraleitende Material beispielsweise durch normalleitende Materialien elektrisch verbunden wird. Stattdessen wird eine ringförmige supraleitende Leiterschleife bereits durch die Abscheidung der supraleitenden Schicht erzeugt. In dem so erzeugten wenigstens einen ringförmigen und über diesen Ring durchgehend supraleitenden Leiter können so durch das sich ändernde Magnetfeld der Drosselspule Ringströme induziert werden, die ih- rerseits das Magnetfeld der Drosselspule kompensieren, ohne dass dabei Ohmsche Verluste entstehen. Alternativ ist es je¬ doch auch möglich und kann unter Umständen vorteilhaft sein, einen geringen Widerstand im Strompfad der supraleitenden Schicht als Dämpfungsglied für Gleichstromanteile einzufügen.
Alternativ kann die Kompensationsspule ein supraleitendes Leitermaterial aufweisen, welches über ein supraleitendes oder normalleitendes Verbindungsstück mit einem geringen ohm- schen Widerstand elektrisch ringförmig kurzgeschlossen ist. Mit anderen Worten kann das ringförmig kurzgeschlossene Lei¬ terelement durch nachträgliches Verbinden der beiden Enden eines supraleitenden Leiters hergestellt sein. Hierbei können jeweils einzelne Windungen als einfache Ringe in sich kurzge¬ schlossen sein, oder es kann eine Wicklung aus mehreren Win- düngen vorliegen, wobei die Enden miteinander kurzgeschlossen sind. Dabei kann es sich beispielsweise um eine helixförmige Wicklung oder um eine planare Wicklung handeln. Der nachträgliche Kontakt kann beispielsweise durch Verlöten der Enden mit einem normalleitenden und/oder einem supraleitenden Mate- rial geschaffen worden sein. So können kommerziell erhältli¬ che Leitermaterialien, beispielsweise supraleitende Bandlei¬ ter auf einem metallischen Substrat, auf einfache Weise ver¬ wendet werden. Die Drosselspule kann vorteilhaft in ihrem Inneren frei von einem weichmagnetischen Kern sein. Durch die Ausführung der Spuleneinrichtung mit einer supraleitenden Kompensationsspule kann die Drosselspule so dimensioniert werden, dass im Kurz¬ schlussfall auch ohne zusätzlichen weichmagnetischen Kern eine relativ hohe Induktivität erreicht werden kann. Im Nor¬ malbetrieb, also bei einem supraleitenden Zustand der Kompensationsspule ist die Induktivität durch die Wirkung der Kom- pensationsspule trotzdem so niedrig, dass ein ausreichender Induktivitätshub gewährleistet werden kann.
Alternativ zu der vorab beschriebenen Ausführungsform kann die Spuleneinrichtung im Inneren der Drosselspule einen weichmagnetischen Kern aufweisen, um insbesondere im normalleitenden Zustand der Kompensationsspule eine höhere Indukti¬ vität der Spuleneinrichtung zu erreichen. Im supraleitenden Zustand der Kompensationsspule ist das Magnetfeld im Bereich dieses radial innenliegenden Kerns so weit kompensiert, dass die Induktivität in diesem Zustand trotz des Kerns gering ge¬ halten wird und auch bei dieser Ausführungsform ein großer Induktivitätshub von beispielsweise wenigstens 4 erreicht werden kann. Die Wicklung der Drosselspule ist bevorzugt aus einem normal¬ leitenden Leiter gebildet. In diesem Fall kann die Drosselspule so angeordnet sein, dass sie durch das Kühlsystem der Spuleneinrichtung nicht mit auf die kryogene Temperatur der supraleitenden Kompensationsspule gekühlt wird, sondern dass sie sich annähernd auf dem Temperaturniveau der warmen Umge¬ bung befindet. Alternativ ist es aber auch grundsätzlich möglich, dass die Wicklung der Drosselspule ebenfalls eine sup¬ raleitende Wicklung ist und dass auch diese durch das Kühl¬ system auf eine kryogene Betriebstemperatur gekühlt wird.
Allgemein kann es sich bei dem Kryostaten insbesondere um einen Badkryostaten handeln, mit anderen Worten um ein Kühlmittelgefäß für ein flüssiges kryogenes Kühlmittel. Die in- nerhalb des Badkryostaten angeordnete supraleitende Kompensa¬ tionsspule kann dann vorteilhaft von diesem flüssigen Kühlmittel umspült werden. Bei diesem Kühlmittel kann es sich beispielsweise um verflüssigten Stickstoff, Wasserstoff, He- lium oder Neon handeln. Ein solches Kühlmittelbad kann prinzipiell entweder das radial innerhalb der Kompensationsspule liegende Volumen im Wesentlichen ausfüllen oder aber die Spuleneinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass der Badkryo- stat ein ringförmiges zylindrisches Kühlmittelvolumen defi- niert und dass ein radial innerhalb der Kompensationsspule liegender Bereich frei von Kühlmittel ist. Hierzu kann radial innerhalb der Kompensationsspule eine weitere Anordnung von einer oder mehreren Kryostatwänden vorgesehen sein, um das Kühlmittelvolumen nach innen zu begrenzen. Eine Kontaktküh- lung der Kompensationsspule ohne direkten Kontakt zum Kühl¬ mittel ist ebenfalls denkbar.
Vorteilhaft ist die axiale Ausdehnung der Kompensationsspule gleich oder größer als die axiale Ausdehnung der Drosselspu- le . Bei einer solchen Konfiguration kann die magnetische
Feldstärke auch in den axialen Endbereichen der Drosselspule durch die Kompensationsspule wirksam kompensiert werden. Dies ist insbesondere bei eher kurzen Drosselspulen wichtig, bei denen die axiale Ausdehnung der Drosselspule nicht größer ist als ihr Durchmesser.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine schematische, perspektivische Schnittdarstellung einer Spuleneinrichtung nach einem Beispiel der Erfindung zeigt,
Figuren 2 bis 4 schematische Querschnitte einer Spulenein- richtung nach weiteren Beispielen der Erfindung zeigen . In Figur 1 ist eine schematische, perspektivische Darstellung einer Strombegrenzereinrichtung 17 mit einer Spuleneinrichtung 1 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Halb¬ schnitt durch das Zentrum der Spuleneinrichtung 1 gezeigt. Gezeigt ist eine auf dem äußeren Umfang angeordnete Drossel¬ spule 3, die die weiteren gezeigten Komponenten der Spuleneinrichtung 1 radial umgibt. Diese Drosselspule 3 dient zur Begrenzung eines Kurzschlussstroms und/oder zur Glättung des Stromverlaufs in einem übergeordneten Stromkreis. Hierzu ist die Drosselspule 3 über zwei Anschlüsse 19 mit dem hier nicht näher gezeigten Stromkreis verbunden, in dem der Strom I fließt. Bei diesem Stromkreis kann es sich beispielsweise um ein Wechselspannungs-Mittelspannungsnetz handeln, die Drosselspule 3 kann jedoch auch ganz allgemein für andere Indust- rie- oder Ortsnetze ausgelegt sein. So kann die Drosselspule 3 beispielsweise für Niederspannungsnetzte mit Wechselspan¬ nungen zwischen 100V und 1000V ausgelegt sein, alternativ kann es sich um Mittelspannungsnetze für Spannungen zwischen lkV und 52kV oder auch um Hochspannungsnetze für Spannungen oberhalb von 52kV handeln. Die Drosselspule kann insbesondere für einen Leistungsbereich von wenigstens 250kVA, insbesondere wenigstens 400kVA oder sogar wenigstens 630kVA ausgelegt sein . Im Inneren der Drosselspule 3 ist ein Kryostat 13 angeordnet, der in diesem Beispiel als Badkryostat ausgestaltet ist und ein Kühlmittel 14 beinhaltet. Innerhalb des Kryostaten ist eine Anordnung aus mehreren supraleitenden Leiterelementen 7 angeordnet, wobei diese Leiterelemente 7 jeweils als kurzge- schlossene Ringe aus supraleitendem Bandleitermaterial 8 vor¬ liegen. Durch das von der Drosselspule erzeugte Magnetfeld wird in den ringförmigen Leiterelementen 7 ein Ringstrom induziert. Durch die supraleitenden Eigenschaften des Bandleiters 8 fließt dieser Ringstrom nahezu verlustfrei. Durch das Kühlmittel 14 innerhalb des Kryostaten 13 werden die supra¬ leitenden Leiterelemente 7 auf eine Betriebstemperatur unterhalb ihrer Sprungtemperatur gekühlt. Die induzierten Ringströme bewirken eine Abschirmung des Magnetfelds der Drossel- spule 3 im weiter innenliegenden Bereich der Spuleneinrichtung 1. Hierdurch wird die Induktivität der Drosselspule 3 und somit die Impedanz der gesamten Spuleneinrichtung 1 im übergeordneten Stromkreis signifikant reduziert, wodurch die elektrische Blindleistung gering gehalten werden.
Im Beispiel der Figur 1 sind die relativen Abmessungen der einzelnen Elemente nur stark schematisch und nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. Insbesondere liegen die Durchmesser der einzelnen zylinderförmigen Elemente sehr viel näher beieinander, als es in der schematischen Figur 1 den Anschein hat. Dies wird aus den weiter unten folgenden Zahlenwerten deutlich. Bei dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwi¬ schen den beiden Kryostatwänden 15a und 15b ein Vakuumraum V ausgebildet. Durch dieses Isoliervakuum wird eine thermische Trennung des gekühlten Innenraums des Kryostaten 13 von der warmen äußeren Umgebung erreicht. Um den Innenraum zu kühlen, ist dieser mit dem Kühlmittel 14 befüllt.
Die beiden Kryostatwände 15a und 15b sind im vorliegenden Beispiel aus Edelstahl vom Typ 304 und mit einer Wandstärke von jeweils 4 mm gebildet. Dabei bezeichnet in der Figur 1 die Dicke d5 die Wandstärke der inneren Kryostatwand 15b und die Dicke d6 die Wandstärke der äußeren Kryostatwand 15a. Der radial zwischen den beiden Kryostatwänden ausgebildete Isolierabstand d4 soll hier 10 mm betragen. Mit den oben genannten Werten für Material und Wandstärken ergibt sich für jede der beiden Kryostatwänden eine spezifische Flächenleitfähigkeit von 6,5 kS und somit für beide Kryostatwänden zusammen eine summierte spezifische Flächenleitfähigkeit von insgesamt 13 kS .
Bei einem alternativen Beispiel für die geometrischen Abmessungen beträgt die Wandstärke d6 der äußeren Kryostatwand 15a 5mm und die Wandstärke d5 der inneren Kryostatwand 15b nur 3 mm. Auch mit dieser alternativen Aufteilung von derselben summierten Wandstärke ergibt sich eine summierte spezifische Flächenleitfähigkeit von insgesamt ebenfalls 13 kS . Der Drosselinnendurchmesser d8 beträgt in diesem weiteren
Beispiel 1316 mm. Der Außendurchmesser dl der supraleitenden Kompensationsspule beträgt 1232 mm. Der Außendurchmesser d2 der inneren Kryostatwand 15b beträgt 1248 mm, so das sich bei der gegebenen Wandstärke von d5 = 3 mm ein Innendurchmesser der inneren Kryostatwand von 1242 mm ergibt.
Der Abstand d7 zwischen Kompensationsspule 5 und innerer Kryostatwand 15b liegt in diesem Beispiel bei 4 mm. Mit den angegebenen Zahlenwerten ergibt sich ein Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser dl der supraleitenden Kompensationsspule 5 und dem Außendurchmesser d2 der inneren Kryostatwand 15b von 1232 mm / 1248 = 0,987. Für das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser dl der supraleitenden Kompensationsspule 5 und dem Außendurchmesser d3 der äußeren Kryostatwand 15a ergibt sich bei diesem Beispiel ein Wert von 1232 mm / 1314 mm = 0,938. Der etwas höhere Isolierabstand für dieses Bei¬ spiel ergibt sich dabei aus den übrigen genannten Werten. Je niedriger der Isolierabstand gewählt wird, desto größer kann das genannte Verhältnis dl/d3 vorteilhaft werden. In Relation zu beiden Kryostatwänden 15a und 15b liegt also auch hier die Raumausfüllung der supraleitenden Kompensationsspule 5 vorteilhaft so hoch, dass die Wirbelstromverluste relativ gering ausfallen. Bei einem Betrieb der Strombegrenzereinrichtung 17 bei einem Nennstrom von 600 A und einer Netzfrequenz von 50 Hz ergibt sich mit den angegebenen Materialien und Dimensionen im supraleitenden Zustand der Kompensationsspule 5 eine Verlustleistung in der äußeren Kryostatwand 15a von etwa 800 W und eine Verlustleistung in der inneren Kryostatwand 15b von etwa 60 W. Bricht bei Überschreiten eines vorgegebenen Stromwertes im äußeren Stromkreis, also bei Eintreten eines Fehlerstromes die Supraleitung in der Kompensationsspule 5 zusammen, dann wird der Effekt der Abschirmung durch diese Kompensationsspule 5 geringer und die Wirbelstromverluste steigen auch in den Kryostatwänden an. Im normalleitenden Zustand der Kompensationsspule können dann beispielsweise in der äußeren Kryostatwand Wirbelstromverluste im Bereich von 4 MW und in der inneren Kryostatwand Wirbelstromverluste im Be- reich von 2 MW entstehen. Durch diesen Effekt kann die Induktivität der Drosselspule 3 im Fehlerstromfall nicht ihren ma¬ ximalen Wert erreichen, der bei Verwendung von nicht leitenden Kryostatwänden zustande käme. Im diskutierten Beispiel wird durch die Kompensationswirkung der induzierten Wirbel- ströme nur etwa 50 % der sonst möglichen Induktivität er¬ reicht. Durch die Wirbelströme in den Kryostatwänden ergibt sich andererseits auch ein effektiv wirksamer resistiver Anteil der Drosselimpedanz. Durch diesen im Fehlerstromfall besonders hohen resistiven Anteil wird erreicht, dass der
Impedanzhub wiederum größer wird. Durch diesen Effekt kann auch mit elektrisch leitfähigem Kryostatwänden ein Impedanzhub in dem für die Anwendung als Strombegrenzer relevanten Bereich von wenigstens 4 erreicht werden. Aufgrund der durch die Wirbelströme entstehenden Verlustleis¬ tung müssen die Kryostatwänden etwas stärker gekühlt werden als bei der Verwendung elektrisch nicht leitender Materialien. Weiterhin muss sichergestellt werden, dass die Spuleneinrichtung im Fehlerstromfall nach einer relativ kurzen Zeit vom Netz getrennt wird, damit die hohen Ströme in den leitfä¬ higen Kryostatwänden nicht über einen längeren Zeitraum fließen. Eine Trennung der Anordnung vom Netz innerhalb von etwa 100 ms ist hier generell zweckmäßig. Dies ist aber unabhängig vom Material des Kryostaten nötig, da auch der Stromfluss in der normalleitend gewordenen Kompensationsspule nicht über einen längeren als diesen genannten Zeitraum aufrechterhalten werden sollte, um das supraleitende Material nicht zu schädi¬ gen. Die Verwendung von elektrisch leitfähigen Kryostatwänden führt hier also nicht zu einer erhöhten Anforderung an die Zeitdauer bis zur Trennung des Strombegrenzers 17 vom Netz.
Bei einem alternativen Materialbeispiel kann eine Titanlegie¬ rung als Material der Kryostatwände zum Einsatz kommen. Bei- spielsweise eignet sich hier die Legierung Ti6A14V zusammen mit der Verwendung von Wandstärken von jeweils 5 mm für die innere und für die äußere Kryostatwand . Mit diesen Werten wird eine spezifische Flächenleitfähigkeit von 3 kS pro
Kryostatwand, also einer summierten spezifischen Flächenleit¬ fähigkeit von 6 kS für den gesamten Kryostaten 13 erreicht. Mit diesen Werten sind die Wirbelstrombeiträge noch etwas niedriger als im vorab diskutierten Beispiel und mit der ent¬ sprechenden Spuleneinrichtung kann sogar noch ein etwas höhe- rer Impedanzhub als bei dem vorhergehenden Beispiel erreicht werden .
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung im schematischen Querschnitt. Dieses Beispiel unterscheidet sich von dem der Figur 1 im Wesentlichen durch eine leicht unterschiedliche geometrische Anordnung der supraleitenden Kompensationsspule 5 innerhalb des Kryostaten 13. Auch hier ist die supraleitende Kompensationsspule radial innerhalb der inneren von zwei ineinander geschachtelten Kryostatwänden 15a und 15b angeordnet. Ebenso ist hier zwischen diesen beiden
Kryostatwänden ein Vakuumraum V mit einem Isoliervakuum vorgesehen. Die supraleitende Kompensationsspule ist hier aller¬ dings im Unterschied zur Figur 1 nicht als selbsttragendes Bauteil, sondern als supraleitende Beschichtung 9 direkt auf der radial innen liegenden Seite der inneren Kryostatwand 15b abgeschieden. Der radiale Abstand zwischen der supraleitenden Kompensationsspule 9 und der inneren Kryostatwand 15b liegt hier also bei Null. Hierdurch wird im Vergleich zum Beispiel der Figur 1 sogar eine noch höhere Raumausfüllung der Kompen- sationsspule 5 innerhalb des Kryostaten 13 erreicht. Somit sind bei vergleichbarer übriger Dimensionierung die Wirbelstromverluste noch geringer und es kann ein höherer Impedanzhub erreicht werden. Die übrige Ausgestaltung der Spuleneinrichtung 1 ist vergleichbar mit der in Figur 1. Insbesondere ist auch hier der Innenraum der inneren Kryostatwand 15b mit einem flüssigen Kühlmittel 14, beispielsweise flüssigem
Stickstoff, gefüllt. Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer weiteren alternativen geometrischen Anordnung der Kompensationsspule 5. Auch in diesem Beispiel ist die supra¬ leitende Kompensationsspule 5 als supraleitende Schicht 9 di- rekt auf der inneren Kryostatwand 15b aufgebracht. Im Unter¬ schied zur Figur 2 ist die supraleitende Schicht 9 hier je¬ doch auf der radial außenliegenden Seite dieser Kryostatwand 15b abgeschieden. Die supraleitende Schicht 9 ist somit in¬ nerhalb des Vakuumraums V zwischen den beiden Kryostatwänden 15a und 15b angeordnet. Dadurch, dass die supraleitende
Schicht 9 radial innerhalb des Hauptteils des Vakuumraums V liegt, wird auch hier eine gute thermische Trennung zwischen der supraleitenden Schicht 9 und der warmen äußeren Umgebung außerhalb der äußeren Kryostatwand 15a erreicht. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass die innere Kryostatwand 15b vollständig im abgeschirmten Raum innerhalb der Kompensa¬ tionsspule 5 liegt. Hierdurch werden Wirbelstromverluste in der inneren Kryostatwand 15b weitgehend vermieden. Ein zu¬ sätzlicher Vorteil ist, dass der radiale Abstand zwischen supraleitender Kompensationsspule 5 und äußerer Kryostatwand 15a durch diese Anordnung besonders gering ausgeführt werden kann. Hierdurch kann ein besonders großes Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser der Kompensationsspule dl und dem Außendurchmesser der äußeren Kryostatwand d3 erreicht werden. Bei- spielsweise kann dl bei 1250 mm und d3 bei 1258 mm liegen, sodass das ansprechende Verhältnis dann bei 0,9936 liegt. Bei einer derart hohen Raumausfüllung der Kompensationsspule 5 innerhalb der einzigen radial außerhalb angeordneten elektrisch leitfähigen Kryostatwand sind die Wirbelstromverluste vorteilhaft besonders niedrig.
Figur 4 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer weiteren alternativen geometrischen Anordnung von Kompensationsspule 5 und Kryostat 13. Auch hier weist der Kryostat 13 eine äußere Kryostatwand 15a und eine innere Kryostatwand 15b auf, wobei zwischen diesen beiden Wänden wiederum ein Vakuumraum V angeordnet ist, um eine gute thermische Isolation über die doppelte Wand hinweg zu ermög- liehen. Die supraleitende Kompensationsspule 5 ist hier als freitragendes Element innerhalb der inneren Kryostatwand 15b angeordnet. Es wird von einem flüssigen Kühlmittel 14 um¬ spült, welches jedoch nicht das gesamte innen liegende Volu- men, sondern nur einen ringförmigen Hohlraum zwischen der inneren Kryostatwand 15b und einer noch weiter innen liegenden dritten Kryostatwand 15c ausfüllt. Radial innerhalb der drit¬ ten Kryostatwand 15c ist noch eine vierte Kryostatwand 15d vorgesehen, die zusammen mit der dritten Kryostatwand wiede- rum eine doppelwandige Begrenzung ausbildet. Auch zwischen der dritten Kryostatwand 15c und der vierten Kryostatwand 15d ist wiederum ein Vakuumraum V ausgebildet, der hier zur thermischen Isolation gegenüber radial noch weiter innen liegenden Bereichen dient. Da sowohl die dritte als auch die vierte Kryostatwand innerhalb der Kompensationsspule 5 liegen, fal¬ len in diesen beiden Wänden keine nennenswerten Wirbelstromverluste an. Es können daher alle 4 Kryostatwände 15a bis 15d aus metallischem Material gebildet sein, und nur die äußeren beiden Kryostatwände tragen im Normalbetrieb signifikant zu den elektrischen Verlusten und zum resistiven Anteil der Drosselimpedanz bei.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Spuleneinrichtung (1) mit
- einer Drosselspule (3) ,
- einer supraleitenden Kompensationsspule (5) , die innerhalb der Drosselspule (3) angeordnet ist, und
- einer Kühleinrichtung für die supraleitende Kompensations¬ spule (5) ,
wobei die Kühleinrichtung einen Kryostaten (13) mit wenigstens einer äußeren Kryostatwand (15a) umfasst,
wobei diese äußere Kryostatwand (15a) eine zylinderförmige, durchgehend metallische Wand ist, die radial zwischen Dros¬ selspule (3) und supraleitender Kompensationsspule (5) ange- ordnet ist.
2. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der die äußere Kryostatwand (15a) eine auf ihre Zylinder-Mantel¬ fläche bezogene Flächenleitfähigkeit zwischen 2 kS und 25 kS aufweist.
3. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Wandstärke der äußeren Kryostatwand (d6) zwischen 2 mm und 8 mm liegt.
4. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die äußere Kryostatwand (15a) aus Edelstahl oder aus einer Titanlegierung gebildet ist.
5. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- bei welcher die supraleitende Kompensationsspule (5) eine kreiszylinderförmige Grundform aufweist,
- bei welcher die äußere Kryostatwand (15a) ebenfalls kreis- zylindrisch geformt ist
- und wobei das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser (dl) der supraleitenden Kompensationsspule (5) und dem Außendurchmesser (d3) der äußeren Kryostatwand (15a) im Bereich zwi- sehen 0,900 und 0,999, insbesondere im Bereich zwischen 0,930 und 0,999, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,980 und 0, 999 liegt.
6. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- bei welcher der Kryostat (13) eine zusätzliche innere
Kryostatwand (15b) aufweist, welche radial innerhalb der äußeren Kryostatwand (15a) angeordnet ist.
7. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 6, bei welcher zwischen innerer Kryostatwand (15b) und äußerer
Kryostatwand (15a) ein Vakuumraum (V) ausgebildet ist.
8. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei welcher der radiale Abstand (d4) zwischen inne¬ rer Kryostatwand (15b) und äußerer Kryostatwand (15a) im Be¬ reich zwischen 5 mm und 50 mm liegt.
9. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welcher der radiale Abstand (d7) zwischen supra¬ leitender Kompensationsspule (5) und innerer Kryostatwand (15b) bei höchstens 20 mm liegt.
10. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
- bei welcher die supraleitende Kompensationsspule (5) eine kreiszylinderförmige Grundform aufweist,
- bei welcher die innerer Kryostatwand (15b) ebenfalls kreis- zylindrische geformt ist
- und wobei das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser (dl) der supraleitenden Kompensationsspule (5) und dem Außendurchmesser (d2) der inneren Kryostatwand (15b) im Bereich zwischen 0,950 und 0,999, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,980 und 0,999 liegt.
11. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, welche so ausgestaltet ist, dass bei einem Be- trieb der Drosselspule (3) bei einer Netzfrequenz von 50 Hz und einem Nennstrom von unter 1250 A in der inneren
Kryostatwand (15b) eine Verlustleistung durch Wirbelströme von höchstens 100 W auftritt.
12. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche so ausgestaltet ist, dass bei einem Betrieb der Drosselspule (3) bei einer Netzfrequenz von 50 Hz und einem Nennstrom von bis zu 4000 A in der äußeren Kryostatwand (15a) eine Verlustleistung durch Wirbelströme von höchstens 1000 W auftritt.
13. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche so ausgestaltet ist, dass das Ver- hältnis zwischen der Impedanz der Drosselspule (3) mit der
Kompensationsspule (5) im normalleitenden Zustand und der Im¬ pedanz der Drosselspule (3) mit der Kompensationsspule (5) im supraleitenden Zustand bei wenigstens 4 liegt.
14. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Innendurchmesser (d8) der Drosselspule (3) im Bereich zwischen 0,5 m und 5 m, insbesondere im Bereich zwischen 1 m und 2 m liegt.
15. Induktiv-resistive Strombegrenzereinrichtung (17) mit einer elektrischen Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0620630A1 (de) * 1993-03-26 1994-10-19 Ngk Insulators, Ltd. Supraleitende Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung
DE102010007087A1 (de) 2010-02-06 2011-08-11 Karlsruher Institut für Technologie, 76131 Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz
DE102015210655A1 (de) * 2015-02-27 2016-09-01 Siemens Aktiengesellschaft Elektrische Spuleneinrichtung zur induktiv-resistiven Strombegrenzung

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012218260B3 (de) * 2012-10-05 2013-12-05 Bruker Hts Gmbh Induktiver Fehlerstrombegrenzer mit geteilter Sekundärspulenanordnung
DE102012218261B3 (de) * 2012-10-05 2013-11-14 Bruker Hts Gmbh Induktiver Fehlerstrombegrenzer mit geteilter Primärspulenanordnung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0620630A1 (de) * 1993-03-26 1994-10-19 Ngk Insulators, Ltd. Supraleitende Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung
DE102010007087A1 (de) 2010-02-06 2011-08-11 Karlsruher Institut für Technologie, 76131 Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz
DE102015210655A1 (de) * 2015-02-27 2016-09-01 Siemens Aktiengesellschaft Elektrische Spuleneinrichtung zur induktiv-resistiven Strombegrenzung

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