DE19851047A1 - Superconductive current limiting device for fault current protection - Google Patents

Superconductive current limiting device for fault current protection

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Abstract

The superconductive current limiting device has a magnetic core (50) with saturated and unsaturated states, coupled to an electrical circuit via an input coil (52), generating a flux in the magnetic core, directed around 2 flux paths (58B,58C) one of which has a damping element (56) for blocking the saturated state of the core.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fehlstrombegrenzer und insbesondere eine supraleitende Strombegrenzungsanordnung zur Verbesserung seines Strombegrenzungsverhaltens durch Verwendung eines magnetischen Kerns mit einem Spalt und einem Dämpfelement.The invention relates to a fault current limiter and in particular one superconducting current limiting arrangement to improve its Current limiting behavior by using a magnetic core with a gap and a damping element.

Im allgemeinen werden bei den meisten elektrischen Schaltungen Schutz­ maßnahmen gegen übermäßige Ströme getroffen, die durch eine vor­ übergehende Lastimpedanz oder einen Fehlstrom hervorgerufen werden können. Die herkömmlich verwendeten Schmelzsicherungen oder Schal­ tungsunterbrecher, die die Schaltung bei einem vorbestimmten Strompegel oder einem vorbestimmten Strom-Zeit-Produkt öffnen, wirken jedoch langsam und können auf schnelle Vorgänge nicht antworten. Zudem sind Schaltungsunterbrecher nur für relativ niedrige Ströme erhältlich.In general, most electrical circuits have protection action taken against excessive currents caused by a pre transient load impedance or a fault current can. The conventionally used fuses or scarf tion interrupter, the circuit at a predetermined current level or open a predetermined current-time product, but work slow and cannot respond to fast processes. Also are Circuit breakers only available for relatively low currents.

Um die vorstehenden Nachteile zu beseitigen, wurden verschiedene Strombegrenzer vorgeschlagen, die zusammen mit Sicherungen oder Schaltungsunterbrechern zu benutzen sind. Einer von ihnen ist eine supraleitende Strombegrenzungsanordnung, die sich den Magnetflußaus­ löschungseffekt eines Supraleiters zunutze macht.To overcome the above drawbacks, several Current limiters suggested that together with fuses or Circuit breakers are to be used. One of them is one superconducting current limiting arrangement, which affects the magnetic flux extinguishing effect of a superconductor.

Bezug nehmend auf Fig. 1 ist dort der Magnetflußauslöschungseffekt eines Supraleiters 100 veranschaulicht. Wenn der Supraleiter 100 einem Magnetfeld H ausgesetzt ist, das in dem Supraleiter 100 einen Strom I unterhalb eines kritischen Werts induziert, befindet sich der Supraleiter 100 in einem supraleitenden Zustand. Aufgrund des Stroms I wird dann ein umgekehrtes Magnetfeld -H erzeugt, und zwar in einer Richtung zur Auslöschung des auf den Supraleiter 100 einwirkenden Magnetfelds H. Im Ergebnis wird das den Supraleiter 100 durchflutende Magnetfeld H durch das umgekehrte Magnetfeld -H ausgelöscht.Referring to FIG. 1, the magnetic flux cancellation effect of a superconductor 100 is illustrated. When the superconductor 100 is exposed to a magnetic field H, the induced in the superconductor 100 includes a current I is below a critical value, there is the superconductor 100 in a superconducting state. A reversed magnetic field -H is then generated on the basis of the current I, namely in a direction for extinguishing the magnetic field H acting on the superconductor 100. As a result, the magnetic field H flowing through the superconductor 100 is extinguished by the reversed magnetic field -H.

Wenn dagegen ein Magnetfeld H vorhanden ist, das in dem Supraleiter 100 einen den kritischen Wert übersteigenden Strom induziert, geht der Supraleiter 100 in einen resistiven Zustand, wobei der Übergang vom supraleitenden Zustand in den resistiven Zustand das umgekehrte Magnet­ feld -H extrem schwächt, was zu einem Verlust der Magnetflußaus­ löschungseigenschaft des Supraleiters 100 führt. Als Folge wird das den Supraleiter 100 durchflutende Magnetfeld H nicht durch ein umgekehrtes Magnetfeld -H ausgelöscht.If, on the other hand, there is a magnetic field H which induces a current exceeding the critical value in the superconductor 100 , the superconductor 100 goes into a resistive state, the transition from the superconducting state to the resistive state extremely weakening the reverse magnetic field -H, which leads to a loss of the magnetic flux extinction property of the superconductor 100 . As a result, the magnetic field H flowing through the superconductor 100 is not extinguished by an inverted magnetic field -H.

Bezug nehmend nunmehr auf Fig. 2 ist dort eine beispielhafte elektrische Einrichtung 5 mit einer herkömmlichen supraleitenden Strombegrenzungs­ anordnung 10 gezeigt, welche den Magnetflußauslöschungseffekt eines Supraleiters nutzt. Die supraleitende Strombegrenzungsanordnung 10 umfaßt eine Primärwicklung 110, ein supraleitendes Element 120 sowie einen sättigbaren Magnetkern 130, wobei die Primärwicklung 110 die supraleitende Strombegrenzungsanordnung 10 über Anschlüsse A und B elektrisch an einen externen Schaltkreis 20 ankoppelt, der beispielsweise eine Spannungsquelle VS und einen Lastwiderstand RL umfaßt. In der Figur ist die Primärwicklung 110 in Form einer leitenden Spule und das supralei­ tende Element 120 in Form eines supraleitenden Rings dargestellt.Referring now to FIG. 2, there is shown an exemplary electrical device 5 with a conventional superconducting current limiting arrangement 10 , which uses the magnetic flux cancellation effect of a superconductor. The superconducting current limiting arrangement 10 comprises a primary winding 110 , a superconducting element 120 and a saturable magnetic core 130 , the primary winding 110 electrically coupling the superconducting current limiting arrangement 10 via connections A and B to an external circuit 20 which, for example, has a voltage source V S and a load resistor R. L includes. In the figure, the primary winding 110 is shown in the form of a conductive coil and the superconducting element 120 in the form of a superconducting ring.

In der elektrischen Einrichtung 5 fließt über den Lastwiderstand RL und die Primärwicklung 110 ein durch die Spannungsquelle VS und die Gesamt­ impedanz der elektrischen Einrichtung 5 bestimmter Schaltungsstrom. Die Gesamtimpedanz wird hauptsächlich durch den Lastwiderstand RL und eine hinzu kommende zusätzliche Impedanz bestimmt, die durch die supraleitende Strombegrenzungsanordnung 10 bedingt ist. In the electrical device 5 and the primary winding 110 flows through the load resistor R L a by the voltage source V S, and the total impedance of the electrical device 5 certain circuit current. The total impedance is mainly determined by the load resistance R L and an additional impedance which is caused by the superconducting current limiting arrangement 10 .

Es wird nun die Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten elektrischen Einrichtung 5 anhand der Fig. 3 erläuterten.The mode of operation of the electrical device 5 shown in FIG. 2 will now be explained with reference to FIG. 3.

Unter normalen Verhältnissen, wenn in der Primärwicklung 110 ein Strom unterhalb eines Übergangspunkts P in Fig. 3 fließt, bleibt das supraleitende Element 120 im supraleitenden Zustand. Wie zuvor anhand der Fig. 1 er­ läutert, löscht deswegen der durch das supraleitende Element 120 erzeugte umgekehrte oder entgegengesetzte magnetische Fluß den durch die Primär­ wicklung 120 hervorgerufenen magnetischen Fluß aus, was die Induktivität der Primärwicklung 110 zu annähernd null macht. Da die Impedanz der supraleitenden Strombegrenzungsanordnung 10 lediglich durch deren Streuinduktivität und den ohmschen Widerstand der Primärwicklung 110 bestimmt wird, ist folglich die durch die supraleitende Strombegrenzungs­ anordnung 10 bedingte zusätzliche Impedanz sehr niedrig, weswegen der normale Strom durch die elektrische Einrichtung 5 fließen kann, ohne daß eine wesentliche Widerstandsänderung bedingt durch die supraleitende Strombegrenzungsanordnung 10 auftritt.Under normal conditions, when a current flows in the primary winding 110 below a transition point P in FIG. 3, the superconducting element 120 remains in the superconducting state. As explained previously with reference to FIG. 1, it therefore erases the reversed or opposite magnetic flux generated by the superconducting element 120 from the magnetic flux caused by the primary winding 120 , which makes the inductance of the primary winding 110 almost zero. Since the impedance of the superconducting current limiting device 10 is determined only by the leakage inductance and the ohmic resistance of the primary winding 110, consequently, the arrangement of the superconducting current limiting 10-related additional impedance is very low, the normal current and therefore by the electrical means 5 can flow without a significant change in resistance due to the superconducting current limiting arrangement 10 occurs.

Unter Fehlerbedingungen dagegen, also wenn ein beispielsweise durch eine vorübergehende Lastimpedanzänderung oder einen Fehlstrom verursachter Fehlstrom oberhalb des Übergangspunkts P in Fig. 3 in der Primärwicklung 110 fließt, geht das supraleitende Element 120 in den resistiven Zustand, da der Fehlstrom in der Primärwicklung 110 einen magnetischen Fluß erzeugt, der in dem supraleitenden Element 120 einen Strom oberhalb des kritischen Werts induziert. Daher kann der von der Primärwicklung 110 erzeugte magnetische Fluß nicht durch den von dem supraleitenden Element 120 erzeugten umgekehrten magnetischen Fluß ausgelöscht werden, wie dies vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurde. Sobald demnach in dem supraleitenden Element 120 ein Übergang vom supraleitenden Zustand in den resistiven Zustand auftritt, vergrößert der resultierende magnetische Nettofluß plötzlich die an den Anschlüssen A und B gesehene Induktivität; gleiches gilt für die Impedanz der supraleitenden Strombegren­ zungsanordnung 10. Als Folge nimmt die Gesamtimpedanz der elektrischen Einrichtung 5 abrupt zu, so daß der Pegel des durch die elektrische Einrichtung 5 fließenden Fehlstroms begrenzt werden kann.On the other hand, under fault conditions, i.e. if a fault current caused, for example, by a temporary change in load impedance or a fault current flows in the primary winding 110 above the transition point P in FIG. 3, the superconducting element 120 goes into the resistive state, since the fault current in the primary winding 110 is magnetic Generates flux that induces a current in the superconducting element 120 above the critical value. Therefore, the magnetic flux generated by the primary winding 110 cannot be extinguished by the reverse magnetic flux generated by the superconducting element 120 , as explained above in connection with FIG. 1. Accordingly, as soon as a transition from the superconducting state to the resistive state occurs in the superconducting element 120 , the resulting net magnetic flux suddenly increases the inductance seen at the connections A and B; the same applies to the impedance of the superconducting current limiting arrangement 10. As a result, the total impedance of the electrical device 5 increases abruptly, so that the level of the fault current flowing through the electrical device 5 can be limited.

Wenn allerdings, wie in Fig. 3 gezeigt, der Fehlstrom nicht durch eine von der supraleitenden Strombegrenzungsanordnung 10 bewirkte Impedanz­ änderung begrenzt wird und sich einem Sättigungspunkt Q nähert, wo der magnetische Kern 130 in Sättigung geht, fällt die Induktivität der Primär­ wicklung 110 auf einen deutlich kleineren Wert, was auch für die zusätz­ liche Impedanz der supraleitenden Strombegrenzungsanordnung 10 gilt. Wenn der magnetische Kern 130 schließlich gesättigt ist, kann folglich ein enorm großer Fehlstrom durch den externen Schaltkreis fließen und diesen zerstören.However, as shown in FIG. 3, if the leakage current is not limited by an impedance change caused by the superconducting current limiting arrangement 10 and approaches a saturation point Q where the magnetic core 130 saturates, the inductance of the primary winding 110 falls on one significantly smaller value, which also applies to the additional impedance of the superconducting current limiting arrangement 10 . As a result, when the magnetic core 130 is finally saturated, an extremely large leakage current can flow through the external circuit and destroy it.

Solche Sättigungsprobleme können dadurch überwunden werden, daß die supraleitende Strombegrenzungsanordnung so ausgelegt wird, daß sie einen hohen Sättigungsstrom verträgt. Dies kann jedoch zu einer erheblichen Zunahme der Größe, des Gewichts und der Kosten aller Elemente der supra­ leitenden Strombegrenzungsanordnung, insbesondere des magnetischen Kerns, führen.Such saturation problems can be overcome in that the superconducting current limiting arrangement is designed so that it has a tolerates high saturation current. However, this can be significant Increase in the size, weight and cost of all elements of the supra conductive current limiting arrangement, in particular the magnetic Kerns, lead.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Sättigungsprobleme des magneti­ schen Kerns ohne Vergrößerung von dessen Querschnittsfläche zu lösen.The object of the invention is therefore the saturation problems of the magneti core without loosening its cross-sectional area.

Erfindungsgemäß ist eine Anordnung zur Begrenzung eines Stroms in einer elektrischen Schaltung vorgesehen, umfassend:
According to the invention, an arrangement for limiting a current in an electrical circuit is provided, comprising:

  • - einen magnetisch sättigbaren Kern mit einem gesättigten und einem ungesättigten Zustand und- A magnetically saturable core with one saturated and one unsaturated state and
  • - eine Eingangsspule zum elektrischen Ankoppeln des Kerns an die elektrische Schaltung, wobei die Eingangsspule einen Strom führt, so daß ein magnetischer Fluß in dem Kern erzeugt wird,- An input coil for electrically coupling the core to the electrical circuit, the input coil carrying a current, so that a magnetic flux is generated in the core

wobei der Kern einen Hauptweg zum Führen des erzeugten magnetischen Flusses und mindestens zwei magnetische Wege umfaßt, von denen ein erster einen ersten Teil des magnetischen Flusses führt und ein zweiter einen zweiten Teil des magnetischen Flusses führt und ein Dämpfelement zur wenigstens teilweisen Auslöschung des zweiten Teils des magnetischen Flusses aufweist, um zu verhindern, daß der Kern in den gesättigten Zustand geht.the core being a main path for guiding the generated magnetic Flux and includes at least two magnetic paths, one of which first leads a first part of the magnetic flux and a second leads a second part of the magnetic flux and a damping element to at least partially erase the second part of the magnetic Has flow to prevent the core from being saturated Condition goes.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:The invention will now be described with reference to the accompanying drawings explained. They represent:

Fig. 1 den Magnetflußauslöschungseffekt eines Supraleiters, Fig. 1 shows the Magnetflußauslöschungseffekt a superconductor,

Fig. 2 eine elektrische Einrichtung mit einer herkömmlichen supralei­ tenden Strombegrenzungsanordnung, Fig. 2 is an electric device having a conventional supralei Tenden current limiting arrangement,

Fig. 3 die Magnetisierungskurve eines magnetischen Kerns in einer supraleitenden Strombegrenzungsanordnung, Fig. 3 shows the magnetization curve of a magnetic core in a superconducting current limiting device,

Fig. 4 eine supraleitende Strombegrenzungsanordnung nach einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, Fig. 4 is a superconducting current limiting device according to a first embodiment of the invention,

Fig. 5 eine supraleitende Strombegrenzungsanordnung nach einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, Fig. 5 is a superconducting current limiting device according to a second embodiment of the invention,

Fig. 6 eine supraleitende Strombegrenzungsanordnung nach einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, Fig. 6 is a superconducting current limiting device according to a third embodiment of the invention,

Fig. 7 einen erfindungsgemäßen Induktor und Fig. 7 an inductor according to the invention and

Fig. 8 einen erfindungsgemäßen Transformator. Fig. 8 shows a transformer according to the invention.

In den Fig. 4 bis 6 sind supraleitende Strombegrenzungsanordnungen nach bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung dargestellt. In Fig. 4 erkennt man eine supraleitende Strombegrenzungsanordnung 10A nach einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Die supraleitende Strombegrenzungsanordnung 10A umfaßt einen magnetischen Kern 50 mit einer Mehrzahl von beispielsweise drei magnetischen Zweigabschnitten (oder Schenkeln), etwa ersten bis dritten magnetischen Schenkeln 58A bis 58C, die sich zwischen zwei länglichen Abschnitten (oder Jochen), etwa einem oberen Joch 58D und einem unteren Joch 58E, erstrecken. Der magnetische Kern 50 kann aus jedem beliebigen magnetisch sättigbaren Material gefertigt sein, das einen gesättigten und einen ungesättigten Zustand besitzt. Der zweite magnetische Schenkel 58B weist einen Spalt 55, zum Beispiel einen Luftspalt, auf, der von einem Material besetzt ist, dessen Permeanz (magnetischer Leitwert) kleiner als die des magnetischen Kerns 50 ist. Mit anderen Worten ist der Spalt mit einem Material ausgefüllt, dessen Reluktanz größer als die des magnetischen Kerns 50 ist. Die supra­ leitende Strombegrenzungsanordnung 10A ist zudem an einen externen Schaltkreis (nicht gezeigt) angekoppelt, und zwar mit Hilfe einer Eingangs­ spule 52, also einer Primärwicklung, die über zwei Anschlüsse A und B mit dem externen Schaltkreis verbunden ist, wie dies bei der in Fig. 2 gezeigten elektrischen Einrichtung der Fall ist. Die supraleitende Strombe­ grenzungsanordnung 10A umfaßt außerdem wie in Fig. 2 ein supraleiten­ des Element 54 und ferner ein den zweiten magnetischen Schenkel 58B mit dem Spalt 55 umschließendes Dämpfelement 56. Die Primärwicklung 52 liegt in Form einer Spule mit einer vorbestimmten Zahl von Windungen vor, die um einen vorzugsweise spaltlosen magnetischen Schenkel, etwa den ersten magnetischen Schenkel 58A, oder das supraleitende Element 54 gewickelt ist; sie ist aus einem leitenden Material gefertigt, das entweder ein supraleitendes Material oder ein nicht supraleitendes, also normalleiten­ des Material sein kann. Das supraleitende Element 54 ist von einem Supra­ leiter in Form beispielsweise eines oder mehrerer Ringe, Zylinder, kurzge­ schlossener Spulen oder dergleichen gebildet, wobei es von einem Joch oder einem spaltlosen magnetischen Schenkel durchsetzt ist.In Figs. 4 to 6 superconducting current limiting arrangements are shown by preferred embodiments of the invention. In FIG. 4 one recognizes a superconducting current limiting device 10A according to a first embodiment of the invention. The superconducting current limiting arrangement 10 A comprises a magnetic core 50 with a plurality of, for example, three magnetic branch sections (or legs), for example first to third magnetic legs 58 A to 58 C, which are located between two elongate sections (or yokes), for example an upper yoke 58 D and a lower yoke 58 E, extend. The magnetic core 50 can be made of any magnetically saturable material that has a saturated and an unsaturated state. The second magnetic leg 58 B has a gap 55 , for example an air gap, which is occupied by a material whose permeance (magnetic conductivity) is smaller than that of the magnetic core 50 . In other words, the gap is filled with a material whose reluctance is greater than that of the magnetic core 50 . The superconducting current limiting arrangement 10 A is also coupled to an external circuit (not shown), with the aid of an input coil 52 , i.e. a primary winding, which is connected to the external circuit via two connections A and B, as is the case in FIG Fig. 2 electrical device shown is the case. The superconducting current limiting arrangement 10 A also comprises, as in FIG. 2, a superconductor of the element 54 and also a damping element 56 enclosing the second magnetic leg 58 B with the gap 55. The primary winding 52 is in the form of a coil with a predetermined number of turns , which is wound around a preferably gapless magnetic leg, such as the first magnetic leg 58 A, or the superconducting element 54 ; it is made of a conductive material, which can either be a superconducting material or a non-superconducting, that is to say normal conducting, material. The superconducting element 54 is formed by a super conductor in the form of, for example, one or more rings, cylinders, short-circuited coils or the like, it being penetrated by a yoke or a gapless magnetic leg.

Die Primärwicklung 52 und das supraleitende Element 54 können sich auch in einem anderen Teil oder in anderen Teilen des magnetischen Kreises 50, außer einem magnetischen Schenkel mit Spalt, befinden. Um spezieller zu sein, können sich die Primärwicklung 52 und das supraleitende Element 54 wie in Fig. 2 Seite an Seite, also nebeneinander befinden, oder sie können, wie dies in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, entweder an einem bestimmten spaltlosen magnetischen Schenkel oder an einem Joch des magnetischen Kerns 50 ineinander angeordnet sein. Alternativ kann die Primärwicklung 52 oder das supraleitende Element 54 an einem Joch oder einem magnetischen Schenkel ohne Spalt angeordnet sein, während das jeweils andere Element auf einem anderen Joch oder einem anderen magnetischen Schenkel ohne Spalt ruht. Es wird jedoch vorgezogen, daß die Primärwicklung 52 und das supraleitende Element 54 zusammen, also ineinander, angeordnet sind, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Wenn die Primärwicklung 52 und das supra­ leitende Element 54 getrennt an dem magnetischen Kern 50 angeordnet sind, können Streuflüsse auftreten, die nicht durch das supraleitende Element 54 ausgelöscht werden können, wodurch sich der Magnetfluß­ auslöschungseffekt des supraleitenden Elements 54 verschlechtern kann.The primary winding 52 and the superconducting element 54 can also be located in another part or in other parts of the magnetic circuit 50 , apart from a magnetic leg with a gap. To be more specific, the primary winding 52 and superconducting element 54 can be side by side, i.e. side by side, as in Fig. 2, or they can, as shown in Figs. 4 and 5, either on a certain gapless magnetic Legs or on a yoke of the magnetic core 50 may be arranged one inside the other. Alternatively, the primary winding 52 or the superconducting element 54 can be arranged on a yoke or a magnetic leg without a gap, while the respective other element rests on another yoke or another magnetic leg without a gap. However, it is preferred that the primary winding 52 and the superconducting element 54 are arranged together, that is, one inside the other, as shown in FIGS. 4 and 5. When the primary coil 52 and the superconducting element 54 are arranged separately to the magnetic core 50, leakage fluxes can occur, which can not be extinguished by the superconducting element 54, the magnetic flux thereby canceling effect of the superconducting element may deteriorate 54th

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Dämpf­ element 56 aus einem supraleitenden Material gebildet und liegt in Form eines oder mehrerer Ringe, Zylinder, kurzgeschlossener Spulen oder dergleichen vor; es wird von einem magnetischen Schenkel mit Spalt, zum Beispiel dem zweiten magnetischen Schenkel 58B, durchsetzt. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Dämpfelement 56 drei supraleitende Ringe auf, die axial übereinander gestapelt sind und den zweiten magnetischen Schenkel 58B umschließen. In the preferred embodiment of the invention, the damping element 56 is formed from a superconducting material and is in the form of one or more rings, cylinders, short-circuited coils or the like; it is penetrated by a magnetic leg with a gap, for example the second magnetic leg 58 B. In the example shown in Fig. 4 embodiment, the damping member 56 comprises three superconducting rings, which are stacked axially one above the other and the second magnetic leg enclose 58 B.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der supraleitenden Strombegrenzungs­ anordnung 10A mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 erläutert.The operation of the superconducting current limiting arrangement 10 A is explained with reference to FIGS. 3 and 4.

Unter Normalbedingungen, also wenn in die Primärwicklung 52 ein normaler Strom innerhalb eines gewissen vorbestimmten Bereichs, etwa unterhalb des in Fig. 3 gezeigten Punkts P, fließt, bleibt das supraleitende Element 54 im supraleitenden Zustand, da in dem supraleitenden Element 54 aufgrund des normalen Stroms in der Primärwicklung 52 ein Strom induziert wird, der unterhalb eines kritischen Werts liegt. Deswegen wird der von der Primärwicklung 52 erzeugte magnetische Fluß durch den von dem supra­ leitenden Element 54 erzeugten entsprechenden umgekehrten magnetischen Fluß ausgelöscht, so daß durch den magnetischen Kern 50 kein magneti­ scher Fluß hindurchgeht. Als Folge ist die an den Anschlüssen A und B gesehene Induktivität sehr klein, was die Impedanz der supraleitenden Strombegrenzungsanordnung 10A niedrig macht. Die supraleitende Strom­ begrenzungsanordnung 10A hat somit einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Funktion des externen Schaltkreises.Under normal conditions, that is, when a normal current flows into the primary winding 52 within a certain predetermined range, for example below the point P shown in FIG. 3, the superconducting element 54 remains in the superconducting state, since in the superconducting element 54 due to the normal current a current is induced in the primary winding 52 which is below a critical value. Therefore, the magnetic flux generated by the primary winding 52 is extinguished by the corresponding reverse magnetic flux generated by the superconducting element 54 , so that no magnetic flux passes through the magnetic core 50 . As a result, the inductance seen at terminals A and B is very small, which makes the impedance of the superconducting current limiting arrangement 10 A low. The superconducting current limiting arrangement 10 A thus has a negligible influence on the function of the external circuit.

Wenn dagegen unter Fehlerbedingungen in die Primärwicklung 52 ein Fehl­ strom fließt, der den vorbestimmten Bereich übersteigt und einen magneti­ schen Fluß erzeugt, der in dem supraleitenden Element 54 einen den kritischen Wert übersteigenden Strom induziert, geht das supraleitende Element 54 in den resistiven Zustand und verliert hierbei seine Magnetfluß­ auslöschungseigenschaft. Die Impedanz der supraleitenden Strombegren­ zungsanordnung 10A nimmt dann zu, womit der Pegel des durch den exter­ nen Schaltkreis fließenden Fehlstroms begrenzt werden kann.On the other hand, when a fault current flows into the primary winding 52 under the fault condition, which exceeds the predetermined range and generates a magnetic flux which induces a current exceeding the critical value in the superconducting element 54 , the superconducting element 54 goes into the resistive state and loses hereby its magnetic flux extinction property. The impedance of the superconducting current limiting arrangement 10 A then increases, whereby the level of the fault current flowing through the external circuit can be limited.

Wenn bei der in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen supraleitenden Strombe­ grenzungsanordnung 10 der Fehlstrom nicht unterdrückt wird und statt dessen fortlaufend ansteigt, bis er einen Sättigungspunkt, etwa den in Fig. 3 gezeigten Punkt Q, erreicht, wo der magnetische Kern 130 gesättigt ist, sinkt die Impedanz der supraleitenden Strombegrenzungsanordnung 10 wieder rapide, so daß ein enorm großer Fehlstrom durch den externen Schaltkreis fließen und diesen beschädigen kann.In the conventional superconducting current limiting arrangement 10 shown in FIG. 2, if the leakage current is not suppressed and instead increases continuously until it reaches a saturation point, such as the point Q shown in FIG. 3, where the magnetic core 130 is saturated, it decreases the impedance of the superconducting current limiting arrangement 10 again rapidly, so that an extremely large fault current can flow through the external circuit and damage it.

Erfindungsgemäß wird dieses Sättigungsproblem jedoch dadurch gelöst, daß die Sättigung des magnetischen Kerns 50 verzögert oder verhindert wird, und zwar durch Ausnutzung der kombinierten Wirkung des Spalts 55 und des Dämpfelements 56 des zweiten magnetischen Schenkels 58B.According to the invention, however, this saturation problem is solved in that the saturation of the magnetic core 50 is delayed or prevented, by utilizing the combined effect of the gap 55 and the damping element 56 of the second magnetic leg 58 B.

Unter Fehlerbedingungen werden zwei parallele magnetische Wege, nämlich ein erster geschlossener Weg 59 über den ersten und den dritten magneti­ schen Schenkel 58A, 58C, sowie ein zweiter geschlossener Weg 57 über den ersten und den zweiten magnetischen Schenkel 58A, 58B, in dem magnetischen Kern 50 gemäß der magnetischen Flußdichte in dem magne­ tischen Kern gebildet. Mit anderen Worten existieren drei magnetische Wege in dem magnetischen Kern 50, nämlich ein magnetischer Hauptweg über den ersten magnetischen Schenkel 58A für den in dem magnetischen Kern 50 erzeugten magnetischen Gesamtfluß, ein primärer magnetischer Weg über den dritten magnetischen Schenkel 58C für einen überwiegenden Teil des magnetischen Gesamtflusses und ein sekundärer magnetischer Weg über den zweiten magnetischen Schenkel 58B für den Rest des magneti­ schen Gesamtflusses.Under fault conditions, two parallel magnetic paths, namely a first closed path 59 via the first and third magnetic legs 58 A, 58 C, and a second closed path 57 via the first and second magnetic legs 58 A, 58 B, in the magnetic core 50 is formed in accordance with the magnetic flux density in the magnetic core. In other words, there are three magnetic paths in the magnetic core 50 , namely a main magnetic path via the first magnetic leg 58 A for the total magnetic flux generated in the magnetic core 50 , a primary magnetic path via the third magnetic leg 58 C for a predominant part of the total magnetic flux and a secondary magnetic path via the second magnetic leg 58 B for the rest of the total magnetic flux.

Speziell gilt folgendes: Bis der dritte magnetische Schenkel 58C gesättigt ist, ist die Permeanz des dritten magnetischen Schenkels 58C des magne­ tischen Kerns 50 größer als die des zweiten magnetischen Schenkels 58B mit dem Spalt 55 und dem Dämpfelement 56, da die Permeanz des zweiten magnetischen Schenkels 58B aufgrund des Spalts 55 sehr klein und annähernd konstant ist. Daher verläuft der von der Primärwicklung 52 erzeugte magnetische Fluß vorrangig längs des ersten geschlossenen Wegs 59. Wenn der magnetische Fluß stark wird und somit der durch die magne­ tischen Schenkel 58A und 58C gehende magnetische Fluß dem Sättigungs­ punkt nahe kommt, nimmt die Permeanz des dritten magnetischen Schen­ kels 58C ab, während der zweite magnetische Schenkel 58B seine annähernd konstante Permeanz beibehält. Daher beginnt der magnetische Fluß, längs des zweiten geschlossenen Wegs 57 zu verlaufen. Die Bedingungen für die Magnetflußverteilung unter den magnetischen Schenkeln können durch die Eigenschaften des magnetischen Kerns 50, zum Beispiel die Spaltweite des Spalts 55, gesteuert werden.Specifically, the following applies: until the third magnetic leg 58 C is saturated, the permeance of the third magnetic leg 58 C of the magnetic core 50 is greater than that of the second magnetic leg 58 B with the gap 55 and the damping element 56 , since the permeance of the second magnetic leg 58 B is very small and approximately constant due to the gap 55 . Therefore, the magnetic flux generated by the primary winding 52 runs primarily along the first closed path 59. When the magnetic flux becomes strong and thus the magnetic flux through the magnetic legs 58 A and 58 C comes close to the saturation point, the permeance of the third magnetic leg 58 C from, while the second magnetic leg 58 B maintains its approximately constant permeance. Therefore, the magnetic flux begins to run along the second closed path 57 . The conditions for the magnetic flux distribution under the magnetic legs can be controlled by the properties of the magnetic core 50 , for example the gap width of the gap 55 .

Wenn im einzelnen ein relativ niedriger Fehlstrom in die Primärwicklung 52 fließt und die Permeanz des dritten magnetischen Schenkels 58C immer noch größer als die des zweiten magnetischen Schenkels 58B mit dem Spalt 55 ist, verläuft der von der Primärwicklung 52 erzeugte magnetische Fluß vorrangig durch den dritten magnetischen Schenkel 58C, also längs des ersten geschlossenen Wegs 59, wogegen der Anteil des durch den zweiten magnetischen Schenkel 58B, also den zweiten geschlossenen Weg 57, verlaufenden magnetischen Flusses vernachlässigbar ist.In particular, when a relatively low leakage current flows into the primary winding 52 and the permeance of the third magnetic leg 58 C is still greater than that of the second magnetic leg 58 B with the gap 55 , the magnetic flux generated by the primary winding 52 primarily passes through the third magnetic leg 58 C, that is along the first closed path 59 , whereas the proportion of the magnetic flux running through the second magnetic leg 58 B, that is to say the second closed path 57 , is negligible.

Wenn aber der Fehlstrom zunimmt und sich der durch den dritten magneti­ schen Schenkel 58C gehende magnetische Fluß dem Sättigungspunkt nähert, nimmt die Permeanz des dritten magnetischen Schenkels 58C ab, wobei der Anteil des durch den dritten magnetischen Schenkels 58C fließenden magnetischen Flusses allmählich kleiner wird. Andererseits bleibt die Permeanz des zweiten magnetischen Schenkels 58B konstant, wie dies zuvor erläutert wurde; folglich nimmt der Anteil des durch den zweiten magnetischen Schenkel 58B fließenden magnetischen Flusses allmählich zu. Da jedoch der Anteil des durch den zweiten magnetischen Schenkel 58B fließenden magnetischen Flusses immer noch klein ist im Vergleich zu dem des dritten magnetischen Schenkels 58C, behält das Dämpfelement 56 weiterhin seine Magnetflußauslöschungseigenschaft. Daher wird der durch den zweiten magnetischen Schenkel 58B verlaufende magnetische Fluß durch einen von dem Dämpfelement 56 erzeugten umgekehrten magneti­ schen Fluß ausgelöscht. Dementsprechend gibt es keinen magnetischen Fluß, der durch den zweiten magnetischen Schenkel 58B hindurchgeht; der den Magnetkern 50 durchsetzende magnetische Fluß erreicht aufgrund der Auslöschung des längs des zweiten magnetischen Schenkels 58B verlau­ fenden magnetischen Flusses nicht ohne weiteres seinen Sättigungspunkt. Im Ergebnis treten die Sättigungsprobleme des Magnetkerns 50 nicht auf, so daß eine abrupte Zunahme des Fehlstroms vermieden werden kann.However, when the fault current increases and the 58 C passing through the third magneti's leg magnetic flux approaches the saturation point, the permeance takes the third magnetic leg 58 C., the proportion of the 58 C flowing through the third magnetic leg magnetic flux gradually smaller becomes. On the other hand, the permeance of the second magnetic leg 58 B remains constant, as previously explained; consequently, the proportion of the magnetic flux flowing through the second magnetic leg 58 B gradually increases. However, since the proportion of the magnetic flux flowing through the second magnetic leg 58 B is still small compared to that of the third magnetic leg 58 C, the damping element 56 continues to retain its magnetic flux canceling property. Therefore, the magnetic flux passing through the second magnetic leg 58 B is extinguished by a reverse magnetic flux generated by the damping element 56 . Accordingly, there is no magnetic flux that passes through the second magnetic leg 58 B; the magnetic flux passing through the magnetic core 50 does not easily reach its saturation point due to the extinction of the magnetic flux running along the second magnetic leg 58 B. As a result, the saturation problems of the magnetic core 50 do not occur, so that an abrupt increase in the leakage current can be avoided.

Bei dieser Ausführungsform ist die Menge des durch den zweiten magneti­ schen Schenkel 58B gehenden magnetischen Flusses proportional zum Verhältnis der Reluktanz des dritten magnetischen Schenkels zur Reluktanz des zweiten magnetischen Schenkels. Dies bedeutet, daß bei abnehmender Permeanz des dritten magnetischen Schenkels 58C der durch den zweiten magnetischen Schenkel 58B gehende magnetische Fluß stärker wird, was jedoch durch das Dämpfelement 56 rückgängig gemacht wird, da das Dämpfelement 56 die im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterte Magnetfluß­ auslöschungseigenschaft besitzt.In this embodiment, the amount of magnetic flux passing through the second magnetic leg 58 B is proportional to the ratio of the reluctance of the third magnetic leg to the reluctance of the second magnetic leg. This means that as the permeability of the third magnetic leg 58 C decreases, the magnetic flux passing through the second magnetic leg 58 B becomes stronger, but this is reversed by the damping element 56 , since the damping element 56 has the magnetic flux explained in connection with FIG. 1 has extinction property.

Wie vorstehend beschrieben, kann erfindungsgemäß die supraleitende Strombegrenzungsanordnung 10A Fehlströme ohne externe Steuereinheit erkennen und begrenzen, da ein Teil des durch den Fehlstrom erzeugten magnetischen Flusses durch das Dämpfelement 56 ausgelöscht wird und hierdurch verhindert wird, daß der magnetische Kern 50 in den Sättigungs­ zustand geht.As described above, according to the invention, the superconducting current limiting arrangement 10 A can detect and limit fault currents without an external control unit, since part of the magnetic flux generated by the fault current is extinguished by the damping element 56 and thereby prevents the magnetic core 50 from becoming saturated .

In Fig. 5 ist eine supraleitende Strombegrenzungsanordnung 10B nach einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei diese supraleitende Strombegrenzungsanordnung 10B einen Magnetkern 60 mit einem Spalt 65 und einem Dämpfelement 66 umfaßt. Der zweite und der dritte magnetische Schenkel des Magnetkerns 60 sind bei diesem Aus­ führungsbeispiel miteinander vertauscht; das Dämpfelement 66 liegt in Form eines supraleitenden Zylinders statt supraleitender Ringe, wie sie in Fig. 4 gezeigt sind, vor. In Fig. 5, a superconducting current limiting device is shown 10 B according to a second embodiment of the invention, said superconducting current limiting arrangement 10 B comprises a magnetic core 60 with a gap 65 and a damping 66th The second and third magnetic legs of the magnetic core 60 are interchanged in this exemplary embodiment; the damping element 66 is in the form of a superconducting cylinder instead of the superconducting rings as shown in FIG. 4.

Mit Ausnahme der Lage des zweiten und des dritten magnetischen Schen­ kels und der Form des Dämpfelements ist die supraleitende Strombe­ grenzungsanordnung 10B gemäß diesem Ausführungsbeispiel funktional identisch zu der in Fig. 4 gezeigten Anordnung 10A, weswegen auf die Erläuterung ihres Aufbaus und ihrer Wirkungsweise verzichtet wird.With the exception of the position of the second and third magnetic legs and the shape of the damping element, the superconducting current limiting arrangement 10 B according to this exemplary embodiment is functionally identical to the arrangement 10 A shown in FIG. 4, which is why the structure and its mode of operation are not explained becomes.

In Fig. 6 ist eine supraleitende Strombegrenzungsanordnung 10C nach einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei diese supraleitende Strombegrenzungsanordnung 10C einen Magnetkern 61 mit ersten bis dritten magnetischen Schenkeln 62A bis 62C und einem Dämpfelement 63 umfaßt. Der ganze zweite magnetische Schenkel 62B des Magnetkerns 61 ist bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem Material gefertigt, dessen Permeanz kleiner als die des dritten magnetischen Schenkels 62C ist, dies im Gegensatz zu dem zweiten magnetischen Schenkel 58B in Fig. 4, von dem ein Teil ein mit einem Material niedriger Permeanz gefüllter Spalt ist.In FIG. 6, a superconducting current limiting device is shown 10 C according to a third embodiment of the invention, this superconducting current limiting device 10 includes C a magnetic core 61 having first to third magnetic legs 62 A to 62 C and a damping 63rd In this exemplary embodiment, the entire second magnetic leg 62 B of the magnetic core 61 is made of a material whose permeance is smaller than that of the third magnetic leg 62 C, in contrast to the second magnetic leg 58 B in FIG. 4, of which one Is part of a gap filled with a low permeance material.

Da die supraleitende Strombegrenzungsanordnung 10C gemäß diesem Aus­ führungsbeispiel funktional identisch zu der in Fig. 4 gezeigten Anordnung 10A ist, wird auf die Erläuterung ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise verzichtet.Since the superconducting current limiting arrangement 10 C according to this exemplary embodiment is functionally identical to the arrangement 10 A shown in FIG. 4, the explanation of its construction and its mode of operation is dispensed with.

Obwohl bevorzugte Ausführungsbeispiele im Hinblick auf Magnetkerne mit jeweils drei magnetischen Schenkeln beschrieben wurden, kann die Zahl der magnetischen Schenkel selbstverständlich verändert werden. Beispielsweise kann der magnetische Kern einen oder mehrere magnetische Schenkel umfassen, die jeweils einen Spalt und ein Dämpfelement aufweisen, um so das Verhalten in bezug auf die Aufteilung des magnetischen Flusses zu verbessern und hierdurch wirksam zu verhindern, daß der Magnetkern in Sättigung geht. In ähnlicher Weise kann die Zahl der magnetischen Schenkel ohne Spalt und ohne Dämpfelement größer als zwei gewählt werden. Although preferred embodiments with regard to magnetic cores three magnetic legs have been described, the number of magnetic leg can of course be changed. For example the magnetic core can have one or more magnetic legs comprise, each having a gap and a damping element, so the behavior related to the distribution of the magnetic flux too improve and thereby effectively prevent the magnetic core in Saturation goes. Similarly, the number of magnetic legs larger than two can be selected without a gap and without a damping element.  

Wie vorstehend beschrieben, kann erfindungsgemäß die supraleitende Strombegrenzungsanordnung eine abrupte Abnahme der Induktivität der Primärwicklung unter Fehlerbedingungen verhindern, da die Sättigung des magnetischen Kerns wirksam verhindert wird. Als Folge wird ein verbes­ sertes Strombegrenzungsverhalten erzielt.As described above, according to the invention, the superconducting Current limiting arrangement an abrupt decrease in the inductance of the Prevent primary winding under fault conditions because the saturation of the magnetic core is effectively prevented. As a result, a verbes achieved current limiting behavior.

Da außerdem die supraleitende Strombegrenzungsanordnung das Sätti­ gungsproblem ohne hinzukommende Vergrößerung der Querschnittsfläche des Magnetkerns vermeidet, können die Herstellungskosten der supraleiten­ den Strombegrenzungsanordnung stark reduziert werden.In addition, since the superconducting current limiting arrangement the Sätti problem without increasing the cross-sectional area of the magnetic core can avoid the manufacturing costs of the superconductors the current limiting arrangement can be greatly reduced.

Die mittels eines Spalts und eines Dämpfungselements bei der Erfindung erzielte Strombegrenzungseigenschaft kann in einem herkömmlichen Induktor (oder Regulator) zur Regulierung von Stromfluktuationen in einem elektrischen Schaltkreis genutzt werden.The means of a gap and a damping element in the invention current limiting property achieved in a conventional Inductor (or regulator) for regulating current fluctuations in one electrical circuit can be used.

In Fig. 7 ist ein Induktor 75 gezeigt, der mit einer externen Schaltung 70 verbunden ist. Der Induktor 75 umfaßt einen Magnetkern 76 mit drei magnetischen Schenkeln 78A, 78B und 78C, wobei eine Primärwicklung 72 am ersten magnetischen Schenkel 78A angeordnet ist und ein Dämpf­ element 74 in Form beispielsweise eines supraleitenden Rings den zweiten magnetischen Schenkel 78B, der einen Spalt besitzt, umschließt. Der Magnetkern 76 kann mehr als drei magnetische Schenkel umfassen, sollte jedoch mindestens einen magnetischen Schenkel mit Spalt und mehr als einen magnetischen Schenkel ohne Spalt umfassen.In Fig. 7, an inductor 75 is shown which is connected to an external circuit 70. The inductor 75 comprises a magnetic core 76 with three magnetic legs 78 A, 78 B and 78 C, a primary winding 72 being arranged on the first magnetic leg 78 A and a damping element 74 in the form of, for example, a superconducting ring, the second magnetic leg 78 B, which has a gap, encloses. Magnetic core 76 may include more than three magnetic legs, but should include at least one magnetic leg with a gap and more than one magnetic leg without a gap.

Bei dieser Struktur des Induktors 75 kann die Primärwicklung 72 in beliebigen Teilen des Magnetkerns 76 angeordnet sein, mit Ausnahme des magnetischen Schenkels mit Spalt.With this structure of the inductor 75 , the primary winding 72 can be arranged in any part of the magnetic core 76 , with the exception of the magnetic leg with a gap.

Wenn ein Fehlstrom in den Induktor 76 eingekoppelt wird, der bewirkt, daß sich der Magnetkern 76 seinem Sättigungszustand nähert, beginnt ein Teil des Magnetflusses, der durch den durch die Primärwicklung 72 fließenden Fehlstrom erzeugt wird, durch den zweiten magnetischen Schenkel 78B zu gehen, wobei er durch den von dem Dämpfelement 74 erzeugten magneti­ schen Fluß ausgelöscht wird. Als Folge kann, wie bereits bei den vorherigen Ausführungsbeispielen beschrieben, die Sättigung des Magnetkerns 76 in dem Induktor 75 vermieden und der Fehlstrom begrenzt werden.When a fault current is coupled into the inductor 76, which causes the magnetic core 76 of its saturation state is approaching, begins a portion which is generated by the current flowing through the primary winding 72 Leakage of the magnetic flux to pass through the second magnetic leg 78 B, being extinguished by the magnetic flux generated by the damping element 74 . As a result, as already described in the previous exemplary embodiments, the saturation of the magnetic core 76 in the inductor 75 can be avoided and the fault current can be limited.

Die Strombegrenzungseigenschaft kann auch bei einem Transformator erhal­ ten werden, der einen magnetischen Schenkel mit Spalt und Dämpfelement verwendet. In Fig. 8 ist ein Transformator 85 gezeigt, der an eine Quellenschaltung 80 und an eine Lastschaltung 81 angeschlossen ist. Der Transformator 85 umfaßt einen Magnetkern 88 mit einer Mehrzahl von beispielsweise drei magnetischen Schenkeln 83A, 83B und 83C, wobei diese magnetischen Schenkel mindestens einen magnetischen Schenkel mit Spalt und zwei oder mehr magnetische Schenkel ohne Spalt umfassen. Eine Primärwicklung 82 ist an dem spaltlosen ersten magnetischen Schenkel 83A angeordnet und mit der Quellenschaltung 80 verbunden. Eine Sekundär­ wicklung 86 ist beispielsweise an dem spaltlosen dritten magnetischen Schenkel 83C angeordnet und mit der Lastschaltung 81 verbunden. Die Primär- und Sekundärwicklungen 82 und 86 können aus einem supraleitenden oder einem nicht supraleitenden Material gefertigt sein. Die Primärwicklung 82 dient dazu, eine Eingangsenergie von der Quellenschaltung 80 in den Transformator 85 einzuspeisen; die Sekundärwicklung 86 dient dazu, die Lastschaltung 81 mit einer durch den magnetischen Fluß, der von der Primärwicklung 82 erzeugt wird und durch den dritten magnetischen Schenkel 83C hindurchgeht, induzierten elektrischen Ausgangsenergie zu versorgen. Ein Dämpfelement 84 ist in Form eines supraleitenden Rings vorgesehen und umschließt den zweiten magnetischen Schenkel 83B mit Spalt. The current limiting property can also be obtained with a transformer that uses a magnetic leg with a gap and damping element. FIG. 8 shows a transformer 85 which is connected to a source circuit 80 and to a load circuit 81 . The transformer 85 comprises a magnetic core 88 with a plurality of, for example, three magnetic legs 83 A, 83 B and 83 C, these magnetic legs comprising at least one magnetic leg with a gap and two or more magnetic legs without a gap. A primary winding 82 is arranged on the gapless first magnetic leg 83 A and connected to the source circuit 80 . A secondary winding 86 is arranged for example on the gapless third magnetic leg 83 C and connected to the load circuit 81 . The primary and secondary windings 82 and 86 can be made of a superconducting or a non-superconducting material. The primary winding 82 serves to feed an input energy from the source circuit 80 into the transformer 85 ; the secondary winding 86 serves to supply the load circuit 81 with a by the magnetic flux generated by the primary winding 82 and through the third magnetic leg passes 83 C, induced electrical output energy. A damping element 84 is provided in the form of a superconducting ring and encloses the second magnetic leg 83 B with a gap.

Bei dieser Struktur des Transformators 85 können die Primärwicklung 82 und die Sekundärwicklung 86 an beliebigen Teilen des Magnetkerns 88, ausgenommen den magnetischen Schenkel mit Spalt, angeordnet sein.With this structure of the transformer 85 , the primary winding 82 and the secondary winding 86 can be arranged on any part of the magnetic core 88 , except for the magnetic leg with a gap.

Wenn ein Fehlstrom in die Primärwicklung 82 oder die Sekundärwicklung 86 eingekoppelt wird und hierdurch den magnetischen Kern dessen Sättigungs­ zustand nahekommen läßt, beginnt ein Teil des von dem Fehlstrom erzeug­ ten und durch die magnetischen Schenkel 83A und 83C gehenden magne­ tischen Flusses, durch den zweiten magnetischen Schenkel 83B hindurch­ zugehen, wobei er durch das Dämpfungselement 84 ausgelöscht wird. Als Folge kann, wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen beschrieben, die Sättigung des Magnetkerns 88 vermieden werden. So kann eine Zunahme des Fehlstroms unterdrückt werden. Durch die Verwendung des Magnet­ kerns mit Spalt und Dämpfelement kann demnach eine abrupte Zunahme des in den Transformator fließenden Fehlstroms wirksam verhindert werden, so daß der Transformator frei von Schäden bleibt, die durch anomale Fehlströme hervorgerufen werden könnten.When a fault current is injected into the primary winding 82 or the secondary winding 86 and the magnetic core thereby comes close to its saturation state, part of the magnetic flux generated by the fault current and through the magnetic legs 83 A and 83 C begins to flow magnetically through which to go through the second magnetic leg 83 B, wherein it is extinguished by the damping element 84 . As a result, as described in the previous embodiments, the saturation of the magnetic core 88 can be avoided. In this way, an increase in the fault current can be suppressed. By using the magnetic core with gap and damping element, an abrupt increase in the fault current flowing into the transformer can thus be effectively prevented, so that the transformer remains free of damage that could be caused by abnormal fault currents.

Bei den soweit beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Dämpfelemente vorzugsweise aus einem supraleitenden Material gefertigt, um die Magnetflußauslöschungseigenschaft zu maximieren. Die Dämpfele­ mente können aber auch aus einem normalen, nicht supraleitenden Material gefertigt sein, zum Beispiel Cu oder Al. In einem solchen Fall wird jedoch der Magnetflußauslöschungseffekt wegen des relativ großen elektrischen Eigenwiderstands vergleichsweise stark reduziert sein. Die Dämpfelemente können jede beliebige Form annehmen, beispielsweise ein oder mehrere Zylinder, Ringe, kurzgeschlossene Spulen oder dergleichen, solange sie einen oder mehrere geschlossene Wege für den durch den äußeren magne­ tischen Fluß induzierten Strom bereitstellen können. Die Spaltweite kann ein entscheidender Entwurfsparameter für die Steuerung des Magnetflußver­ teilungsverhaltens zwischen den magnetischen Schenkeln sein, das wiederum maßgebend für das Strombegrenzungsverhalten ist. In the embodiments of the invention described so far, the Damping elements preferably made of a superconducting material, to maximize the magnetic flux cancellation property. The steam However, elements can also be made from a normal, non-superconducting material be made, for example Cu or Al. In such a case, however the magnetic flux cancellation effect due to the relatively large electrical Intrinsic resistance can be comparatively greatly reduced. The damping elements can take any form, for example one or more Cylinders, rings, short-circuited coils or the like, as long as they one or more closed paths for the one through the outer magne table flow can provide induced current. The gap width can be one decisive design parameter for the control of the magnetic flux ver sharing behavior between the magnetic legs, the is in turn decisive for the current limiting behavior.  

Die magnetischen Schenkel 78B und 83B des Induktors 75 bzw. des Trans­ formators 85 (die in den Fig. 7 und 8 gezeigt sind) können insgesamt auch aus einem Material niedriger Permeanz gefertigt sein, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist.The magnetic legs 78 B and 83 B of the inductor 75 and the transformer 85 (which are shown in FIGS . 7 and 8) can also be made of a material of low permeability, as shown in FIG. 6.

Zudem sollten die aus supraleitendem Material gebildeten Komponenten unterhalb der kritischen Temperatur des supraleitenden Materials gehalten werden, aus dem sie zusammengesetzt sind, um ihren supraleitenden Zustand beizubehalten, dies beispielsweise mit Hilfe eines mit einem Kühlmittel beschickten Kryostaten.In addition, the components formed from superconducting material should kept below the critical temperature of the superconducting material from which they are composed to their superconducting Maintain condition, for example with the help of one with one Coolant charged cryostat.

Im Rahmen der Erfindung können alle bekannten Hochtemperatur- oder Niedertemperatur-Supraleitungsmaterialien verwendet werden. Bevorzugt wird jedoch als supraleitendes Material ein Hochtemperatur-Supraleitungs­ material mit einer kritischen Temperatur verwendet, die die Verwendung eines Kühlmittels wie etwa Flüssigstickstoff erlaubt.In the context of the invention, all known high-temperature or Low temperature superconducting materials are used. Prefers However, as a superconducting material, high-temperature superconducting material used with a critical temperature, the use a coolant such as liquid nitrogen.

Zusammenfassend schützt eine supraleitende Strombegrenzungsanordnung eine elektrische Schaltung vor Fehlströmen. Die Anordnung umfaßt einen magnetisch sättigbaren Kern mit einem gesättigten und einem ungesättigten Zustand sowie eine Eingangsspule, um den Kern elektrisch mit der elektrischen Schaltung zu koppeln, wobei die Eingangsspule einen Strom zieht, so daß bedingt durch diesen Strom ein magnetischer Fluß in dem Kern erzeugt wird. Der Kern umfaßt einen Hauptweg, der den erzeugten magnetischen Fluß insgesamt führt, sowie mindestens zwei magnetische Wege, von denen ein erster einen ersten Teil des magnetischen Flusses führt und ein zweiter einen zweiten Teil des magnetischen Flusses führt und ein Dämpfelement aufweist, um den zweiten Teil des magnetischen Flusses mindestens teilweise auszulöschen und auf diese Weise zu verhindern, daß der Kern in den gesättigten Zustand geht.In summary, a superconducting current limiting arrangement protects an electrical circuit against fault currents. The arrangement includes one magnetically saturable core with a saturated and an unsaturated Condition as well as an input coil to electrically connect the core with the to couple electrical circuit, the input coil carrying a current pulls, so that due to this current, a magnetic flux in the core is produced. The core includes a main path that leads to the one created total magnetic flux leads, as well as at least two magnetic Paths, a first a first part of the magnetic flux leads and a second leads a second part of the magnetic flux and has a damping element to the second part of the magnetic flux to at least partially wipe out and thereby prevent the nucleus goes into the saturated state.

Claims (12)

1. Anordnung zur Begrenzung eines Stroms in einer elektrischen Schaltung, umfassend:
  • - einen magnetisch sättigbaren Kern (50) mit einem gesättigten und einem ungesättigten Zustand und
    • - eine Eingangsspule (52) zum elektrischen Ankoppeln des Kerns (50) an die elektrische Schaltung, wobei die Eingangsspule (52) einen Strom führt, so daß ein magnetischer Fluß in dem Kern (50) erzeugt wird,
wobei der Kern (50) einen Hauptweg (58A) zum Führen des erzeug­ ten magnetischen Flusses und mindestens zwei magnetische Wege (58B, 58C) umfaßt, von denen ein erster (58C) einen ersten Teil des magnetischen Flusses führt und ein zweiter (58B) einen zweiten Teil des magnetischen Flusses führt und ein Dämpfelement (56) zur wenigstens teilweisen Auslöschung des zweiten Teils des magneti­ schen Flusses aufweist, um zu verhindern, daß der Kern (50) in den gesättigten Zustand geht.1. An arrangement for limiting a current in an electrical circuit, comprising:
  • - A magnetically saturable core ( 50 ) with a saturated and an unsaturated state and
    • an input coil ( 52 ) for electrically coupling the core ( 50 ) to the electrical circuit, the input coil ( 52 ) carrying a current so that a magnetic flux is generated in the core ( 50 ),
wherein the core ( 50 ) comprises a main path ( 58 A) for guiding the generated magnetic flux and at least two magnetic paths ( 58 B, 58 C), a first ( 58 C) leading a first part of the magnetic flux and an the second ( 58 B) carries a second part of the magnetic flux and has a damping element ( 56 ) for at least partially extinguishing the second part of the magnetic flux to prevent the core ( 50 ) from going into the saturated state. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite magnetische Weg (58B) Flußbeeinflussungsmittel (55) enthält, um zu bewirken, daß der zweite Teil des magnetischen Flusses gegenüber dem ersten Teil vernachlässigbar ist, wenn sich der Kern (50) in dem ungesättigten Zustand befindet, und der zweite Teil des magnetischen Flusses groß wird, wenn sich der Kern (50) seinem gesättigten Zustand nähert.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the second magnetic path ( 58 B) contains flux influencing means ( 55 ) to cause the second part of the magnetic flux to be negligible compared to the first part when the core ( 50 ) is in the unsaturated state, and the second part of the magnetic flux becomes large as the core ( 50 ) approaches its saturated state. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußbeeinflussungsmittel (55) einen Spalt umfassen. 3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the flow influencing means ( 55 ) comprise a gap. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (55) ein Luftspalt ist.4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the gap ( 55 ) is an air gap. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flußbeeinflussungsmittel ein Material umfassen, dessen Permeanz kleiner als die des ersten magnetischen Wegs (58C) ist.5. Arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that the flux influencing means comprise a material whose permeance is smaller than that of the first magnetic path ( 58 C). 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dämpfelement (56) aus einem supraleitenden oder einem nicht supraleitenden Material gefertigt ist und in Form eines oder mehrerer Ringe, Zylinder oder kurzgeschlossener Spulen vorliegt.6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the damping element ( 56 ) is made of a superconducting or a non-superconducting material and is in the form of one or more rings, cylinders or short-circuited coils. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie supraleitende Mittel (54) umfaßt, um zu bewirken, daß ein Hauptteil des erzeugten magnetischen Flusses ausgelöscht wird, wenn der durch die Eingangsspule (52) fließende Strom innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, wobei die supraleiten­ den Mittel (54) in einen resistiven Zustand gehen, wenn der Strom den vorbestimmten Bereich übersteigt, was zu einer nachfolgenden Zunahme der Impedanz der Anordnung führt.7. Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises superconducting means ( 54 ) to cause a major part of the magnetic flux generated to be extinguished when the current flowing through the input coil ( 52 ) within a predetermined range, the superconducting means ( 54 ) going into a resistive state when the current exceeds the predetermined range, resulting in a subsequent increase in the device impedance. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Mittel (54) an dem Hauptweg (58A) oder dem ersten magnetischen Weg (58C) angeordnet sind.8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the superconducting means ( 54 ) on the main path ( 58 A) or the first magnetic path ( 58 C) are arranged. 9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Mittel (54) in Form eines oder mehrerer Ringe, Zylinder oder kurzgeschlossener Spulen vorliegen.9. Arrangement according to claim 7 or 8, characterized in that the superconducting means ( 54 ) are in the form of one or more rings, cylinders or short-circuited coils. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die supraleitenden Mittel (54) innerhalb oder außerhalb der Eingangsspule (52) längs des Hauptwegs (58A) oder des ersten magnetischen Wegs (58C) angeordnet sind.10. Arrangement according to one of claims 7 to 9, characterized in that the superconducting means ( 54 ) are arranged inside or outside the input coil ( 52 ) along the main path ( 58 A) or the first magnetic path ( 58 C). 11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie eine Ausgangsspule (86) umfaßt, welche längs des Hauptwegs (83A) oder des ersten magnetischen Wegs (83C) ange­ ordnet ist und mit einer Lastschaltung (81) gekoppelt ist, um die Lastschaltung (81) mit elektrischer Energie zu beliefern, die durch den magnetischen Fluß induziert wird, der durch denjenigen Weg (83C) geht, längs dessen die Ausgangsspule (86) angeordnet ist.11. Arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that it comprises an output coil ( 86 ) which is arranged along the main path ( 83 A) or the first magnetic path ( 83 C) and with a load circuit ( 81 ) is coupled to supply the load circuit ( 81 ) with electrical energy induced by the magnetic flux which passes through the path ( 83 C) along which the output coil ( 86 ) is arranged. 12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspule (86) aus einem supraleitenden oder einem nicht supraleitenden Material gefertigt ist.12. The arrangement according to claim 11, characterized in that the output coil ( 86 ) is made of a superconducting or a non-superconducting material.
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