DE1563335B2 - Spule mit veraenderlicher induktivitaet als strombegrenzungs einrichtung fuer energieuebertragungsanlagen - Google Patents
Spule mit veraenderlicher induktivitaet als strombegrenzungs einrichtung fuer energieuebertragungsanlagenInfo
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Description
1 2
Strombegrenzungseinrichtungen haben die Auf- lungen jedoch lediglich zum Schütze der Supragabe,
den in einem Stromkreis fließenden Strom auf leitungsmagnetspulen gegen Zerstörung bei einem
einen zulässigen Wert zu begrenzen. Sie spielen eine unerwünschten Übergang in den elektrisch normalbesondere Rolle in Energieübertragungsanlagen zum leitenden Zustand (USA.-Patentschrift 3129 359,
Senken der Absehaltleistung und zur Begrenzung 5 Zeitschrift »Elektrie«, Heft.4 (19.65), S. 176 bis 182,
von Kurzschlußströmen. Die Kurzschlußströme insbesondere S. 180, linke Spalte). Ferner ist ein als
können so groß sein, daß die hierbei entstehenden Schalter in Schwachstromkreisen geeignetes Kryotron
mechanischen Kräfte zu Zerstörungen von Teilen der bekannt, bei dem zum Schalten die Widerstands-Anlage
führen. Um dies zu verhindern, werden bei erhöhung eines Supraleiters ausgenutzt wird, der mit
Wechselstromübertragungsanlagen Drosselspulen in io Hilfe einer supraleitenden Steuerspule vom supraden
Laststromkreis eingesetzt (»Hütte«, Band IVA, , leitenden in den nprmalleitenden Zustand übergeführt
28. Aufl., Berlin 1957, S. 450).. Diese verursachen wird (Zeitschrift »Deutsches Elektrohandwerk«,
auch im Normalbetrieb einen Spannungsabfall und Heft 19 (1963), S. 671 bis 673, insbesondere S. 673).
infolge des ohmschen Widerstandes beträchtliche Außerdem ist bereits der Vorschlag bekannt, SupraVerluste.
Damit sich die Strombegrenzungseinrich- 15 leiter als Schmelzsicherungen zum Schütze starktung
nur beim Überschreiten der zulässigen Strom- stromtechnischer Geräte zu verwenden (Zeitschrift
stärke auswirkt, hat man auch schon im Leitungszug »Elektrie«, Heft 6 (1965), S. 261 bis 266, insbesoneinen
Reihenschwingkreis vorgesehen, der auf die dere S. 266, linke Spalte). Auch diese supraleitenden
Netzfrequenz abgestimmt ist und aus einer sättigbaren Bauelemente kommen jedoch als Strombegrenzungs-Drossel
und einem Kondensator besteht (deutsche 20 einrichtungen für Energieübertragungsanlagen nicht
Auslegeschrift 1 213 039). Beim Überschreiten des in Betracht.
zulässigen Stromwertes gelangt die Drossel in den Die Erfnutong wird durch zwei Ausführungsbei-
Sättigungsbereich und ändert dadurch ihre Induktivi- spiele an Hand zweier Figuren näher erläutert. Es
tat. Der als Bandpaß wirkende Reihenschwingkreis zeigt
wird verstimmt. Hierbei wird der Wechselstrom- 25 F i g. 1 eine als Strombegrenzungseinrichtung wirwiderstand
erhöht. Nachteilig an dieser Strom- kende Spule mit zwei Zylinderwicklungen, .,,··.
begrenzungseinrichtung ist die Trägheit, die dadurch F i g. 2 eine als Strombegrenzungseinrichtung wirbedingt ist, daß das Eisen zuerst gesättigt werden kende Spule mit scheibenförmigen Wicklungen,
muß. Die Begrenzungswirkung tritt oft erst ein, nach- Die.in Fig. 1 dargestellte als Strombegrenzungsdem durch den Überstrom bereits ein Schaden ver- 30 einrichtung wirkende Spule besteht aus zwei parallelursacht worden ist. geschalteten Wicklungen 1 und 2 mit entgegengesetzt
begrenzungseinrichtung ist die Trägheit, die dadurch F i g. 2 eine als Strombegrenzungseinrichtung wirbedingt ist, daß das Eisen zuerst gesättigt werden kende Spule mit scheibenförmigen Wicklungen,
muß. Die Begrenzungswirkung tritt oft erst ein, nach- Die.in Fig. 1 dargestellte als Strombegrenzungsdem durch den Überstrom bereits ein Schaden ver- 30 einrichtung wirkende Spule besteht aus zwei parallelursacht worden ist. geschalteten Wicklungen 1 und 2 mit entgegengesetzt
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spule mit ver- gerichtetem Wickelsimrund etwa gleichgrößer Durch-
änderlicher Induktivität als Strombegrenzungsein- flutung. Die Wicklung 1 besteht aus einem Supra-
richtung für Energieübertragungsanlagen zu schaffen, leitermaterial, die Wicklung 2 aus Aluminium oder
die schnell anspricht und den Laststromkreis im 35 Kupfer hohen Reinheitsgrades und dementsprechend
Nennbetrieb praktisch nicht beeinflußt. Die Strom- hohen Restleitwertes. Die beiden Wicklungen sind
begrenzungseinrichtung soll vorzugsweise zur Kurz- innerhalb eines wärmeisolierenden Gehäuses 3 an-
schlußstrombegrenzung dienen. geordnet. Dieses ist mit flüssigem Helium angefüllt,
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- das durch Anschlüsse 4.zu- und abgeführt wird. Die
löst, daß zwei magnetisch eng gekoppelte, elektrisch 40 Wicklungsenden sind an Anschlußklemmen 5 und 6
parallelgeschaltete Wicklungen vorgesehen sind, die geführt. Mit diesen wird die Spule als Strombegrenbei
Nennbetrieb eine annähernd gleiche Durchflutung · zungseinrichtung in den zu schützenden Stromkreis
entgegengesetzter Richtung aufweisen, und daß geschaltet. Die beiden Wicklungen sollen möglichst
wenigstens die erste der Wicklungen ganz oder teil- eng gekoppelt sein, so daß das Streufeld klein bleibt,
weise aus einem Supraleitermaterial besteht und so 45 Nur dieses verursacht eine in dem.. Stromkreis wirausgelegt
und/oder angeordnet ist, daß ihre kritische kende Restreaktanz, da sich die gemeinsam verFeldstärke
bzw. Stromstärke beim Überschreiten des ketteten Flüsse der beiden Wicklungen gegenseitig
Grenzwertes des Stromes überschritten und der supra- aufheben. Die supraleitende Wicklung ist durch geleitende
Leiter der Wicklung normalleitend wird. . eignete Materialauswahl, oder geeignete : Draht-
Im Nennbetrieb ist nur das Streufeld wirksam, es 50 abmessung so ausgelegt, daß sie bei dem zwei- bis
befindet sich also nur ein verhältnismäßig kleiner dreifachen Wert des Nennstromes normalleitend
induktiver Widerstand im Stromkreis. Der ohmsche wird. Tritt dieser Zustand ein, so wird die Durch-
Widerstand ist dann besonders klein, wenn auch die flutung der supraleitenden Wicklung verschwindend
zweite Wicklung als Tieftemperaturleiter ausgebildet klein, der Strom wird von der anderen Wicklung mit
ist. Beim Überschreiten des vorgegebenen Grenz- 55 übernommen, deren Induktivität sich voll entfalten
wertes des Stromes wird die erste Wicklung normal- kann, da kein Gegenfeld mehr vorhanden ist. Die
leitend, es entfällt das Gegenfeld, die zweite Wick- Verhältnisse für Nennbetrieb und den Kurzschlußfall
lung kann voll zur Wirkung kommen. sind durch die Kurven 7 und 8 angedeutet. Die
Daß normalleitende Widerstände zu Supraleitungs- Kurve 7 veranschaulicht die Größe des Streufeldes
magnetspulen parallel geschaltet werden können, so 60 bei Nennbetrieb, die Kurve 8 die Größe des Feldes
daß sie beim Übergang der Supraleitungsmagnetspule im Kurzschlußfall bei hormalleitend gewordener
in den normalleitenden Zustand den Strom über- innenliegender Wicklung Ii Es soll bei diesem Ausnehmen,
ist bereits bekannt. Ferner ist es bekannt, führungsbeispiel noch hervorgehoben werden, daß
eine Supraleitungsspule mit einer einen Kurzschluß- durch die Anordnung der supraleitenden Wicklung 1
kreis bildenden, galvanisch von der Supraleitungs- 65 innerhalb der leitfähig bleibenden Wicklung 2 die
spule getrennten normalleitenden Wicklung induktiv Transition begünstigt wird, da die Wicklung 1 dem
zu koppeln. Bei diesen bekannten Einrichtungen Magnetfeld der Wicklung 2 ausgesetzt ist.
dienen die normalleitenden. Widerstände bzw. Wick- Bereits, bei dem. ersten Beispiel· wurde hervor-
dienen die normalleitenden. Widerstände bzw. Wick- Bereits, bei dem. ersten Beispiel· wurde hervor-
gehoben, daß die beiden Wicklungen möglichst eng gekoppelt sein sollen, damit die im Nennbetrieb
wirksame Steuerreaktanz möglichst klein bleibt. Im Hinblick auf ein möglichst kleines Streufeld ist es
vorteilhaft, wenn beide Wicklungen aus scheibenförmig ausgeführten Teilwicklungen bestehen, die
aufeinander angeordnet sind. F i g. 2 zeigt eine derartig aufgebaute Spule als Strombegrenzungseinrichtung.
Teilwicklungen der Wicklung 1 und Teilwicklungen der Wicklung 2 folgen hier abwechselnd
aufeinander. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Wicklungen durch eine thermische Isolation 9
getrennt, und das zur Kühlung der ersten Wicklung verwendete Kühlmedium ist nach dem Austritt aus
dem Kühlraum 1.0 der ersten Wicklung in den Kühlraum 11 der zweiten Wicklung geleitet. Das Temperaturniveau
der zweiten Wicklung kann dabei höher sein als das Temperaturniveau der ersten Wicklung.
Beispielsweise kann sich die zweite Wicklung auf einer Temperatur von 20° K und die erste Wicklung
auf einer Temperatur von 4,2 bis 8° K befinden.
Bei den beiden Ausführungsbeispielen war die zweite Wicklung als Aluminium- oder Kupferleiter
mit hohem Reinheitsgrad ausgebildet. Die zweite Wicklung kann auch aus Supraleitermaterial bestehen.
Dann ist aber dafür zu sorgen, daß sie im Kurzschlußfall, wenn die erste Wicklung in Transition
geht, nicht auch normalleitend wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß für die zweite Wicklung
ein Supraleitermaterial verwendet wird, dessen kritische Feldstärke bzw. Stromdichte höher liegt,
so daß die Wicklung beim Überschreiten des Grenzwertes des Stromes supraleitend bleibt. Es können
auch die Leiterabmessungen dieser zweiten aus Supraleitermaterial bestehenden Wicklung so gewählt
sein, daß die Wicklung beim Überschreiten des Grenzwertes des Stromes supraleitend bleibt.
Die Wicklungen der als Strombegrenzungseinrichtung wirkenden Spule können vorzugsweise in einem
Kryogefäß aus elektrisch nichtleitendem Material, insbesondere Glasfaser-Kunststoff-Verbundmaterial,
untergebracht sein.
Die Strombegrenzungseinrichtung zeichnet sich insbesondere durch rasches Ansprechen und durch
einen sehr geringen induktiven Spannungsabfall bei Nennbetrieb aus. Durch die Ausbildung auch der
zweiten Wicklung als Tieftemperaturleiter oder Supraleiter können beim Nennbetrieb auch die
ohmschen Verluste weitestgehend oder sogar völlig vermieden werden. Die Wicklungen der als Strombegrenzungseinrichtung
wirkenden Spule müssen zwar gekühlt werden, jedoch ist die laufend aufzuwendende
Kühlleistung infolge der geringen thermischen Verluste verhältnismäßig klein.
Claims (9)
1. Spule mit veränderlicher Induktivität als Strombegrenzungseinrichtung für Energieübertragungsanlagen,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei magnetisch eng gekoppelte,
elektrisch parallelgeschaltete Wicklungen (1,2) vorgesehen sind, die bei Nennbetrieb eine annähernd
gleiche Durchflutung entgegengesetzter Richtung aufweisen, und daß wenigstens die
erste (1) der Wicklungen ganz oder teilweise aus einem Supraleitermaterial besteht und so ausgelegt
und/oder angeordnet ist, daß ihre kritische Feldstärke bzw. Stromstärke beim Überschreiten
des Grenzwertes des Stromes überschritten und der supraleitende Leiter der Wicklung (1) normalleitend wird.
2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wicklung (2) aus Aluminium
oder Kupfer hohen Reinheitsgrades und dementsprechend hohen Restleitwertes besteht.
3. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß auch die zweite (2)
der Wicklungen aus Supraleitermaterial besteht, für diese ein Material verwendet ist, dessen kritische
Feldstärke bzw. Stromdichte höher als die der ersten Wicklung (1) liegt, so daß die
zweite Wicklung (2) beim Überschreiten des Grenzwertes des Stromes supraleitend bleibt.
4. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß auch die zweite
(2) der Wicklungen, aus Supraleitermaterial besteht, die Leiterabmessung dieser Wicklung (2)
so gewählt ist, daß sie bei Überschreiten des Grenzwertes des Stromes supraleitend bleibt.
5. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wicklung
(1) so angeordnet ist, daß ihre Leiter so weit wie möglich im Feld der zweiten Wicklung (2)
liegen.
6. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Wicklungen
(1, 2) aus scheibenförmig ausgeführten Teilwicklungen bestehen und Teilwicklungen der
ersten und der zweiten Wicklung abwechselnd aufeinanderfolgen (Fig. 2).
7. Spule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungen (1, 2) durch
eine thermische Isolation (9) getrennt sind und das Temperaturniveau der zweiten Wicklung (2)
höher ist als das Temperaturniveau der ersten Wicklung (1).
8. Spule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung beider Wicklungen
dasselbe Kühlmedium verwendet ist, das nach Austritt aus dem Kühlraum (10) der ersten Wicklung
(1) den Kühlraum (11) der zweiten Wicklung (2) durchströmt.
9. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen
(1, 2) in einem Kryogefäß aus elektrisch nichtleitendem
Material untergebracht sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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