DE3887090T2

DE3887090T2 - Supraleitender strombegrenzender Apparat.

Info

Publication number: DE3887090T2
Application number: DE3887090T
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Fijioka; Hisatoshi Ikeda; Masayuki Ishikawa; Hitoshi Mizoguchi; Susumu Nishiwaki; Masaru Okamoto; Katsumi Suzuki; Tsuneharu Teranishi; Satoru Yanabu
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-11-09
Filing date: 1988-11-09
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-11-10
Also published as: EP0315976A3; DE3887090D1; KR910003660B1; EP0315976A2; KR890009040A; EP0315976B1; US4994932A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen supraleitenden, strombegrenzenden Apparat nach dem Oberhegriff des Anspruchs 1.
Mit der ständig zunehmenden Nachfrage nach elektrischer Energie in den vergangenen Jahren steigt auch allmählich die Größe des Kurzschlußstroms, den ein Energieübertragungs- oder ein Umspannsystem bei Auftreten eines Kurzschlusses liefert. Die Zunahme in der Spannung bei einem Kurzschlußstrom bedeuted eine Gefährdung der Bauteile des elektrischen Versorgungssystems ebenso wie der Leistungsschalter, die dazu dienen, das Fließen dieses Kurzschlußstroms zu unterbrechen, so daß ein großer Bedarf an der Entwicklung einer strombegrenzenden Apparatur besteht, die in der Lage ist, die Größe des Kurzschlußstroms zu beschränken. Dies steht in Einklang mit der Nachfrage nach einer strombegrenzenden Apparatur, die in der Lage ist, den Stromfluß augenblicklich zu begrenzen, so daß derzeit verwendete Bauteile eines Stromnetzes oder Übertragungsleitungen auch weiterhin ohne Austausch eingesetzt werden können und ferner die gefertigten Bauteile oder Übertragungsleitungen so ausgelegt werden können, daß sie eine geringe Kurzschlußstromfestigkeit besitzen.
Auch nimmt die Stärke des in Haushaltsstromnetzen fließenden Kurzschlußstroms zu, und es besteht der Bedarf an einem hochqualitativen Stromnetz, welches nicht an vorübergehenden Netzausfallerscheinungen leidet, sowie an der Stromversorgung für elektronische Rechner, die zunehmende Popularität erlangt haben. In Haushaltsstromnetzen kann eine Schutzeinrichtung zur Strombegrenzung, beispielsweise eine Schmelzsicherung, verwendet werden, wenn keine Notwendigkeit besteht, irgendwelche nicht korrekt verschalteten Punkte in einem Schaltkreis zu spezifizieren und für eine selektive Schaltkreisunterbrechung zu sorgen. Eine solche Schmelzsicherung muß aber bei jedem Auftritt eines Kurzschlusses erneuert werden, um die Stromversorgung wieder herzustellen, auch wenn die Ursache in einem vorübergehenden Kurzschluß liegt, wie er von Ereignissen wie z.B. einem Blitzschlag verursacht wird. Dies bedeuted, daß die Stromversorgung häufig für längere Zeit unterbrochen wird, was im Hinblick auf die Gewährleistung einer stabilen Stromversorgung unerwünscht ist. In einem Starkstromnetz ist eine derartig lange Versorgungsunterbrechung nicht zulässig. Kein derzeit verfügbarer Strombegrenzungsapparat ist imstande, den Stromfluß zu begrenzen und nach Beseitigung des schädlichen Überstroms rasch wieder die normale Stromversorgung herzustellen, so daß in Starkstromnetzen bislang keine strombegrenzenden Vorrichtungen eingesetzt wurden.
In den Vereinigten Staaten von Amerika wurden über viele Jahre hinweg Forschungen auf dem Gebiet der strombegrenzenden Apparate durchgeführt, und bislang wurden zahlreiche Berichte veröffentlicht. Unter ihnen ist der EL-276-SR Special Report for the Electric Research Institute (EPRI): Symposium Poceedings, "New Concepts in Fault Current limiters and Power Circuits Breakers". Die grundlegenden Erfordernisse eines strombegrenzenden Apparats sind die Heraufsetzung der Impedanz zur Zeit einer anormalen Verbindung zwischen zwei Schaltungspunkten und das Begrenzen des Flusses eines Kurzschlußstroms. Es wurden verschiedene Strombegrezungsvorrichtungen vorgeschlagen, welche diese Funktionen erfüllen. Vom Standpunkt der Betriebsstabilität und der Fähigkeit, die Stromversorgung wieder herzustellen, sind jedoch nur Strombegrenzungsapparate mit einer Sicherung praktikabel. Dieser Typ von Strombegrenzungsapparat ist z.B. in den Beschreibungen der Japanischen Patent-Offenlegungsschriften 65-57236 und 47-40146 offenbart. Diese Strombegrenzungsapparate mit einer Sicherung nutzen Änderungen des Zustands eines Alkalimetalls aus. Allerdings hat dieser Typ von Strombegrenzungsapparat den Nachteil, daß es schwierig ist, einen großen Spannungsabfall zu erzeugen, so daß sein Einsatz beschränkt ist auf niedrige Spannungswerte bis zu mehreren 1000 Volt.
Es wurden auch Forschungen auf dem Gebiet von strombegrenzenden Apparaten durchgeführt, die mit Supraleitern arbeiten. Allerdings hat ein herkömmlicher Strombegrenzungsapparat, der mit flüssigem Helium arbeitet, das Problem, daß die Abstrahlung der im normalen leitenden Zustand erzeugten Wärme schwierig ist. Die Geräte wurden bislang noch nicht in der Praxis verwendet.
In der jüngsten Zeit wurden in rascher Folge supraleitende Stoffe für hohe Temperaturen entwickelt, außerdem Stoffe, die Supraleitfähigkeit bei einer Temperatur oberhalb des Siedepunkts von flüssigem Stickstoff bei 77K zeigen. Derartige supraleitende Stoffe enthalten eine Keramik, die aus Y-Ba-Cu-O-Verbindungen gebildet ist.
Supraleitende, strombegrenzende Apparate begrenzen den Fluß eines Kurzschlußstroms unter Verwendung einer Zunahme des elektrischen Widerstands, die eintritt, nachdem der supraleitende Stoff in den normalleitenden Zustand überführt worden ist (nachdem er bei Überschreiten der Sprungtemperatur plötzlich normalleitend geworden ist). Um den Temperaturanstieg zu unterdrücken, der beim Überschreiten der Sprungtemperatur des Stoffs erfolgt, müssen in der strombegrenzenden Apparatur eingesetzte supraleitende Stoffe eine relativ geringe Stromdichte und eine große Querschnittsfläche aufweisen. Außerdem ist eine beträchtliche Längserstreckung erforderlich, um einen großen Widerstand zu erhalten. Die Verwendung eines derartigen supraleitenden Stoffs gestattet möglicherweise die Schaffung einer strombegrenzenden Vorrichtung, die auch dann eingesetzt werden kann, wenn sie eine beträchtliche Wärmemenge erzeugt, nachdem die Stromdichte in dem Stoff die kritische Stromdichte Jc überschritten hat und der supraleitende Stoff in den normalleitenden Zustand übergegangen ist. Dies deshalb, weil im Vergleich zu einem herkömmlichen strombegrenzenden Apparat, der supraleitenden Stoff verwendet, welcher Supraleitfähigkeit bei der Siedetemperatur von flüssigem Helium aufweist, ein strombegrenzender Apparat, welcher das oben erläuterte supraleitende Material verwendet, bei höherer Temperatur einsetzbar ist und deshalb eine höhere spezifische Wärme und eine kritische Temperatur aufweist, die höher liegt als der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff, und mithin eine größere Wärmekapazität besitzt.
Es wurden Strombegrenzungsapparate vorgeschlagen, die einen supraleitenden Draht zum Beschränken des Flusses eines Kurzschlußstroms aufweisen, wobei ein Anstieg des elektrischen Widerstands ausgenutzt wird, welcher dann erfolgt, wenn der supraleitende Draht plötzlich normalleitend wird.
In einem derartigen Apparat entwickelt der supraleitende Draht Joule'sche Wärme, wenn er erst einmal in den Normalzustand gebracht wurde, und der erwärmte supraleitende Draht muß deshalb von einem Kühlmittel abgekühlt werden, um wieder den supraleitenden Zustand einzunehmen, wobei das Kühlmittel bis zu einem vorbestimmten Niveau zugegossen werden muß. Diese Vorgänge nehmen üblicherweise Zeit zwischen mehreren 10 min. bis einige Stunden in Anspruch, und die Leitung kann während dieser Zeit nicht benutzt werden. In einem Starkstromnetz muß die elektrische Leistung normalerweise innerhalb von 0,3 bis 0,5 sec. nach Unterbrechung des Stromflusses wieder zur Verfügung stehen, um das Erscheinungsbild eines Netzausfalls zu vermeiden. Für den Fall, daß ein Relalssystem zum Spezifizieren von anormal verschalteten Punkten und zum Unterbrechen des Flusses eines Stroms in dem erforderlichen Abschnitt des Schaltkreises verwendet wird, wird der Kurzschlußstrom während dieser Zeit am Fließen gehalten (Kurzzeitbelastung), weil es etwa 2 sec. dauert, bis das Relaissystem den Betrieb startet. Anschließend muß der supraleitende Draht innerhalb von 0,2 sec. aus dem Normalzustand wieder in einen supraleitenden Zustand überführt werden, da die Versorgung 0,2 sec. nach der Unterbrechung des Kurzschlußstromflusses wieder hergestellt werden muß (rasches Schließen eines Schaltkreises). In anderen Worten: Der supraleitende Draht, der als Widerstand 2 sec. lang durch Joulsche Wärme erhitzt worden ist, muß 0,2 sec. nach der Unterbrechung des Stromflusses auf die Supraleitungs-Sprungtemperatur (die kritische Temperatur) abgekühlt werden.
Um also ein supraleitendes, strombegrenzendes Element im supraleitenden Zustand zu halten, ist es wesenflich, eine effektive Kühleinrichtung vorzusehen, die die Temperatur des Elements unterhalb der Supraleitungs-Sprungtemperatur hält.
In Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart die US-A 3,513,421 einen supraleitenden, strombegrenzenden Apparat in Form einer Schutzvorrichtung für einen supraleitenden Schalter. Der erste Behälter enthält einen supraleitenden Magneten mit Anschlüssen, die über ein Drähtepaar mit dem äußeren Stromnetz verbunden sind. Innerhalb des ersten Behälters, in der Nähe der Anschlüsse der supraleitenden Magneten, verbindet ein supraleitender Draht die zwei Anschlüsse und ist mit einer Heizvorrichtung ausgestattet, um eine Schaltfunktion zu erreichen. Wenn die Heizvorrichtung mit einem Stromnetz verbunden wird, wird das flüssige He, welches den supraleitenden Draht und Heizvorrichtung umgibt, aufgewärmt, und deshalb bleibt der Draht nicht länger supraleitend. Dies definiert einen offenen Zustand des Schalters. Wenn die Heizvorrichtung nicht gespeist wird, kühlt das flüssige He den supraleitenden Draht, so daß der Draht seinen supraleitenden Zustand einnimmt. Dies definiert den geschlossenen Zustand des Schalters.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen supraleitenden, strombegrenzenden Apparat anzugeben, der klein gebaut und nicht der Wirkung eines Magnetfeldes nicht ausgesetzt ist.
Diese Aufgabe wird durch den Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 gelöst.
Die Merkmale des Kennzeichnungsteil des Anpruchs 1 gewährleisten einen Kurzzeitbetrieb und ein rasches Schließen einen Schaltkreises.
Gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung umfaßt das supraleitende, strombegrende Element einen Stapel aus Stapelelementen, von denen jedes einen strombegrenzenden Draht aufnimmt, wobei die Stapelelemente einzeln übereinander gelegt sind mit ausreichenden Zwischenräumen zwischen benachbarten Stapelelementen, welche als Durchgangskanäle für das Kühlmittel dienen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Form der Erfindung enthält das supraleitende, strombegrenzende Element mehrere koaxial angeordnete Isolierrohre, wobei ein supraleitender, strombegrenzender Draht um jedes der Isolierrohre derart gewickelt ist, daß die von den durch die Drähte fließenden Strömen, erzeugten magnetischen Flüsse einander aufheben.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Form der Erfindung enthält das Kühlmittel ein Gas, dessen Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des supraleitenden, strombegrenzenden Elements liegt, wobei das Gas in Verbindung mit flüssigem Stickstoff verwendet werden kann.
Erfindungsgemäß befindet sich in einem Behälter ein kleines supraleitendes, strombegrenzendes Element, welches in einem nicht-induktiven Zustand ist. Das supraleitende, strombegrenzende Element wird von einem Kühlmittel gekühlt, dessen Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des supraleitenden, strombegrenzenden Elements liegt und in großflächiger Berührung mit dem strombegrenzenden Element steht. Zur Verbesserung des Wärmeisoliereffekts des Behälters ist der Behälter außerdem in einem evakuierten Außenbehälter untergebracht. Folglich läßt sich die Gesamtgröße des supraleitenden, strombegrenzenden Apparats verringern, und das supraleitende, strombegrenzende Element in dem Behälter läßt sich ausreichend und wirksam kühlen. Als Folge läßt sich die Supraleitfähigkeit des strombegrenzenden Elements stabil halten, wenn ein Strom in einem Schaltkreis oder einem System fließen soll, welcher den strombegrenzenden Apparat benutzt. Außerdem läßt sich der Temperaturanstieg des in Betrieb befindlichen strombegrenzenden Elements unterdrücken, und es läßt sich ein Kurzzeitbetrieb sowie ein rasches Schließen des Schaltkreises gewährleisten, was eine Wiederherstellung der elektrischen Versorgung rasch nach Beseitigung eines Kurzschlußstroms gestattet. Dies wiederum macht den Einsatz des strombegrenzenden Apparats in einem Energieübertragungssystem möglich, um eine hochqualitative Stromversorgung zu gewährleisten.
Die oben beschriebenen bevorzugten Formen der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht eines supraleitenden, strombegrenzenden Apparats als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Stapelelements, welches ein supraleitendes, strombegrenzendes Element des supraleitenden, strombegrenzenden Apparats nach Fig. 1 bildet;
Fig. 3 bis 5 sind perspektivische Ansichten weiterer Beispiele für das Stapelelement nach Fig. 2;
Fig. 6 zeigt einen strombegrenzenden Draht, der in dem supraleitenden strombegrenzenden Element aufgenommen ist;
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Substrats, auf dem der strombegrenzende Draht nach Fig. 6 angebracht ist;
Fig. 8 veranschaulicht die Temperaturänderungen des strombegrenzenden Elements in dessen Betrieb;
Fig. 9 ist eine Längsschnittdarstellung eines supraleitenden, strombegrenzenden Apparats gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9B und 9C zeigen den Stromfluß in dem strombegrenzenden Draht, der um ein Isolierrohr des supraleitenden, strombegrenzenden Apparts nach Fig. 9A gewickelt ist;
Fig. 10 und 11 sind Vertikalschnittansichten des supraleitenden, strombegrenzenden Apparats gemäß der Erfindung, wobei dargestellt ist, wie das in dem strombegrenzenden Apparat aufgenommene strombegrenzende Element von einem Kühlmittel gekühlt wird; und
Fig. 12 ist ein Schaltungsdiagramm eines kurzschlußstrombegrenzenden, supraleitenden Apparats, bei dem der supraleitende, strombegrenzende Apparat gemäß der Erfindung angewendet wird.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert. Ein strombegrenzendes Element 5 wird in einem mit flüssigem Stickstoff N gefüllten Tank 6 aufgenommen. Das strombegrenzende Element setzt sich zusammen aus isolierenden Stapelelementen 1, auf deren jedem ein strombegrenzender Draht in nichtinduktiver Weise gelagert ist, Endplatten 3 zum Fixieren einer großen Anzahl von Stapelelementen, von denen eines auf dem anderen gestapelt ist, und einem isolierenden Lagerbolzen 4. Der Bolzen 4 ist im Inneren des Tanks 6 durch isolierende Lagerglieder fixiert. Der Tank 6 befindet sich im Inneren eines Außenbehälters 7. Der Raum zwischen dem Tank 6 und dem Behälter 7 kann evakuiert oder mit einem stark isolierenden Material gefüllt sein, um den Wärmeisolierungseffekt des inneren Tanks 6 zu erhöhen.
Die Kühleinrichtung 11 zum Kühlen des flüssigen Stickstoffs N innerhalb des inneren Tanks ist an dem Behälter 7 angebracht.
Bei dem Beispiel nach Fig. 1 bildet der Raum zwischen dem Tank 6 und dem Behälter 7 ein Vakuum. Um dies zu ermöglichen, ist ein Ventil 7a vorgesehen, durch welches die in dem Raum befindliche Luft evakuiert werden kann. Der Tank 6 besitzt ein Speiseventil 6a, über das flüssiger Stickstoff in den Tank geleitet wird, sowie ein Auslaßventil 6b, über das der flüssige Stickstoff abgeleitet wird.
Außerdem sind die Öffnungen in dem Tank 6 durch Isolier-Abstandsglieder 8a und 8b verschlossen. Leiter 12a und 12b durchsetzten die Mitten der Isolier-Abstandshalter 8a und 8b, um sich dann in die Stapelelemente 1 hinein zu erstrecken, damit sie das supraleitende, strombegrenzende Element 5 mit einem externen System verbinden. Die Leiter 12a und 12b sind durch Durchführungshülsen 9a bzw. 9b geschützt.
Gemäß Fig. 2, die im einzelnen das Stapelelement 1 zeigt, welches das strombegrenzende Element 5 bildet, ist ein supraleitender, strombegrenzender Draht 2 aus einem Supraleiter, der bei dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff (77K) supraleitend ist, an jedem der Stapelelemente 1 angebracht. Um einen elektromagnetisch nicht-induktiven Zustand zu erreichen, ist der strombegrenzende Draht 2 so angeordnet, daß er in parallelen Linien verläuft, in denen in benachbarten Leitungen Strom in entgegengesetzter Richtung fließt. Die vielen Stapelelemente 1 mit dem supraleitenden, strombegrenzenden Draht werden zur Bildung eines kompakten strombegrenzenden Elements 5 eines auf das andere gelegt.
In dem so ausgebildeten strombegrenzenden Apparat ist das strombegrenzende Element normalerweise im supraleitenden Zustand. Ist jedoch erst einmal ein Kurzschluß vorhanden und übersteigt der in dem strombegrenzenden Element fließende Strom die kritische Stromstärke des Elements, so überschreitet das strombegrenzende Element die Sprungtemperatur und wird zu einem Widerstand, wodurch der Fluß des Kurzschlußstroms begrenzt wird. Wenn der Supraleiter die Sprungtemperatur überschreitet und ein Widerstand wird, steigt seine Temperatur aufgrund der in dem Widerstand erzeugten Wärme an. Da in einem Starkstromnetz die Ausgangsspannung nach Beseitigung des Kurzschlußstroms rasch wieder hergestellt werden muß, muß das strombegrenzende Element, welches zu einem Widerstand geworden ist, wieder rasch in den supraleitenden Zustand zurückgeführt werden. Dies wird dadurch erreicht, daß das strombegrenzende Element, welches auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur erwärmt wurde, unter Verwendung eines Kühlmittels abgekühlt wird, welches in den Lücken zwischen den Stapelelementen zum Fließen gebracht wird. In dieser Hinsicht ist das in Fig. 1 gezeigte Beispiel möglicherweise nicht besonder effektiv beim Abkühlen des supraleitenden Strombegrenzers, weil die Stapelelemente 1 sehr dicht beieinander liegen und der flüssige Stickstoff N deshalb nicht in direkte Berührung mit den supraleitenden, strombegrenzenden Drähten 2 gebracht werden kann. Dies macht die Supraleitfähigkeit des strombegrenzenden Drahts instabil.
Im Hinblick auf diesen Nachteil schafft die vorliegende Erfindung ein weiteres Beispiel eines isolierenden Stapelelements 1.
Bezugnehmend auf Fig. 3, die eine perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels des isolierenden Stapelelements 1 zeigt, welches ein strombegrenzendes Element bildet, besitzt das Stapelelement 1 eine Ausnehmung 1a. Dies wird erreicht durch Bilden eines Vorsprungs an jedem der Uingskantenabschnitte auf einer Seite des Stapelelements 1. Der strombegrenzende Draht 2 ist in der Ausnehmung 1a vorgesehen. Die derart angeordneten Stapelelmente 1 werden einzeln aufeinandergelegt, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, um das in Fig. 1 dargestellte strombegrenzende Element 5 zu bilden.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, bilden, wenn mehrere Stapelelemente 1 gestapelt sind, die Ausnehmungen 1a der Stapelelemente 1 Lücken, welche an die Flächen angrenzen, auf denen die supraleitenden, strombegrenzenden Drähte gelagert sind. Wenn folglich dieses strombegrenzende Element zur Bildung des in Fig. 1 gezeigten strombegrenzenden Apparats eingesetzt wird, strömt flüssiger Stickstoff in die Lücken und kühlt wirksam die Gesamtheit der supraleitenden Drähte.
Fig. 4 zeigt noch ein weiteres Beispiel des Stapelelements 1. Bei diesem Beispiel besitzt das Stapelelement 1 eine Ausnehmung 1a auf derjenigen Fläche, die der Fläche gegenüber liegt, auf der der supraleitende, strombegrenzende Draht 2 gelagert ist. Wie beim Beispiel nach Fig. 3 kann der flüssige Stickstoff bei diesem Beispiel in die Lücken strömen. Folglich lassen sich die supraleitenden, strombegrenzenden Drähte in ausreichendem Maß abkühlen, so daß ihr Supraleitfahigkeits-Kennwerte stabil gehalten werden können.
Fig. 5 zeigt noch ein weiteres Beispiel des Stapelelements 1. Bei diesem Beispiel besitzt das Stapeleelment 1 Ausnehmungen 1a und 1b auf beiden Seiten. Die supraleitenden, strombegrenzenden Drähte 2a und 2b sind in den Ausnehmungen 1a und 1b angebracht. Die strombegrenzenden Drähte 2a und 2b sind gemäß Fig. 5 in Reihe geschaltet.
Die strombegrenzenden Drähte sind auf beiden Seiten jedes der Stapelelemente 1 in parallelen Linien befestigt, in denen Strom innerhalb benachbarter Leitungen in entgegengesetzte Richtungen fließt.
Auf diese Weise läßt sich die Länge des strombegrenzenden Drahts pro Stapel praktisch verdoppeln, verglichen mit der Anordnung nach Fig. 3, was eine Reduzierung der Anzahl von Stapelelementen für einen strombegrenzenden Apparat ermöglicht.
Für den Fall, daß die strombegrenzenden Drähte in den Ausnehmungen des Stapelelements gemäß Fig. 5 angebracht sind, besteht das Risiko, daß strombegrenzende Drähte aufgrund der beim Stromfluß in den Drähten erzeugten elektromagnetischen Kraft fallen. Da aber die strombegrenzenden Drähte auf den beiden Flächen des Stapelelements in parallelen Linien angeordnet sind, in denen ein Stromfluß in die gleiche Richtung innerhalb der einander abgewandten Leitungen auf den beiden Flächen stattfindet, wirkt zwischen den gegenüberliegenden Leitungen eine Anziehungskraft, welche das Herabfallen der strombegrenzenden Drähte verhindert und sie fest an der Oberfläche des Stapelelements fixiert.
In einem strombegrenzenden Apparat unter Verwendung eines strombegrenzenden Elements, welches durch Stapeln mehrerer derart ausgebildeter Stapelelemente gebildet ist, wobei die strombegrenzenden Drähte auf den Stapelelementen einer über dem anderen gelagert sind, kann flüssiger Stickstoff in die Lücken zwischen individuellen Stapelelementen strömen, und die strombegrenzenden Drähte können dadurch wirksam gekühlt werden.
Allgemein wird ein strombegrenzender Draht, der auf einem aus einem Isolator gefertigten Stapelelement angebracht ist, durch Verbinden der benötigten Anzahl gestreckter Drähte gebildet, um so einen hohen Widerstand beim Überschreiten der Sprungtemperatur zu bilden. Die vorliegende Erfindung zeigt ein weiteres Beispiel für ein strombegrenzendes Element, bei dem beabsichtigt ist, die Fläche zu vergrößern, über die der strombegrenzende Draht des strombegrenzenden Elements mit dem Kühlmittel in Berührung steht.
Gemäß Fig. 6 durchsetzen eine Platte 21 supraleitende Drähte 20, die jeweils einen supraleitenden, strombegrenzenden Draht bilden. Die Löcher in der Platte 21 sind derart voneinander beabstandet, daß zwischen den Drähten ein Kühlmittel hindurch fließen kann, um die Drähte auf eine Temperatur abzukühlen, die zum erneuten Schließen des Schaltkreises ausreicht. Die supraleitenden Drähte 20, die voneinander beabstandet sind, sind mit Hilfe der Platten 21 auf einem Substrat 22 aus Isolierstoff gelagert. Das Substrat 22 hat eine maschenähnliche Struktur, so daß es das Kühlmittel mühelos durchläßt. Zahlreiche derart angeordnete Substratelemente 22 werden als Isolierstapelelemente übereinandergelegt, um ein strombegrenzendes Element zu bilden, welches innerhalb des mit flüssigem Stickstoff gefüllten Tanks anzuordnen ist, wie es Fig. 1 zeigt. Die Schaffung eines deratttigen strombegrenzenden Elements ermöglicht die erforderliche Abkühlgeschwindigkeit, mit der das strombegrenzende Element abgekühlt wird, während gleichzeitig der Strombegrenzungsvorgang stark verbessert wird. Fig. 8 ist eine graphische Darstellung, welche die Temperaturänderungen des in Betrieb befindlichen erfindungsgemäßen strombegrenzenden Elements zeigt. Joule'sche Wärme und Abkühlgeschwindigkeit sind in einem gewissen Temperaturbereich ausgeglichen, und die Temperatur des strombegrenzenden Elements wird in einem solchen Bereich gehalten, daß der Stromkreis wieder geschlossen wird.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen setzt sich das strombegrenzende Element zusammen aus Stapelelmenten, wobei ein strombegrenzender Draht um die Stapelelemente in nicht-induktiver Weise herumgewickelt ist und die Stapelelemente einzeln aufeinandergelegt sind. Das Ziel der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch erreicht werden durch die Schaffung eines supraleitenden, strombegrenzenden Elements mit mehreren Isolierrohren unterschiedlichen Durchmessers, die innerhalb eines mit Kühlmittel (flüssigem Stickstoff) gefüllten Tanks angeordnet sind.
Fig. 9 zeigt ein Beispiel für ein solches strombegrenzenden Element. Innerhalb eines mit flüssigem Stickstoff N gefüllten Tanks 36 sind Isolierrohre 31a, 31b, 31c koaxial zueinander in Längsrichtung des Tanks angeordnet. Die Durchmesser der Isolierrohre sind so eingestellt, daß 31a > 31b > 31c gilt. Um den Außenumfang jedes der Isolierrohre 31a, 31b und 31c ist ein strombegrenzender Draht 32 gewickelt. Wie in Fig. 9B und 9C gezeigt ist, ist der Draht um die zwei Isolierrohre 31b und 31c kleineren Durchmessers in einer Richtung gewickelt, die derjenigen entgegengesetzt ist, in der der Draht um das Isolierrohr mit dem größten Durchmesser gewickelt ist.
Der mit flüssigem Stickstoff A gefüllte Tank 6 besitzt an zwei seitlichen Enden jeweils ein Flüssigstickstoff-Speiseventil 36a und ein Auslaßventil 36b, wie in Fig. 9A gezeigt ist. Der flüssige Stickstoff A fließt innerhalb des Tanks 36 in den durch die Pfeile 40a, 40b und 40c angedeuteten Richtungen. Da der übrige Aufbau der gleiche ist wie bei dem in Fig. 1 gezeigten strombegrenzenden Element, wird auf dessen Beschreibung verzichtet.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 strömt der über das Zuführventil 36a zugeführte flüssige Stickstoff nicht nur entlang der Oberfiäche des Isolierrohrs 31a größten Durchmessers, sondern auch in die Lücken zwischen den Isolierrohren 31a, 31b und 31c, wobei er sämtliche supraleitenden Drähte in ausreichendem Maß abkühlt.
Weiterhin hebt das durch den Stromfluß in dem supraleitenden, strombegrenzenden Draht (einer Spule), der um das Rohr größten Durchmessers gewickelt ist, erzeugte magnetische Feld die in axialer Richtung außerhalb dieses Rohrs verlaufenden Magnetfelder auf, die durch die Ströme erzeugt werden, die in den supraleitenden, strombegrenzenden Drähten, um die Rohre kleinerer Durchmesser gewickelt sind, so daß praktisch kein Strom induziert wird. Dies ermöglicht es, daß die strombegrenzenden Drähte stabile Supraleitfähigkeits-Kennwerte aufweisen, wenn ein Strom in einem Stromkreis oder einem System fließt, der von dem strombegrenzenden Apparat Gebrauch macht.
Wenn bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der in einem Stromkreis oder in einem System fließende Strom die kritische Stromstärke für den Supraleiter übersteigt, überschreitet der Supraleiter die Sprungtemperatur und wird zu einem Widerstand. Der Widerstand erzeugt Wärme, wenn in ihm ein Strom fließt, was den flüssigen Stickstoff N verdampfen läßt. Im allgemeinen wird beim Auftreten eines Kurzschlusses ein Leistungsschalter sofort betätigt, um den Kurzschlußstrom zu unterbrechen, so daß die Geschwindigkeit, mit der der flüssige Stickstoff verdampft, innerhalb der Auslösegrenze eines Sicherheitsventils liegt. Wenn allerdings der Leistungsschalter versagt, verdampft der flüssige Stickstoff N rasch, wobei eine große Menge Dampf entsteht. Wenn Stickstoff verdampft, nimmt sein Volumen um einen Faktor von etwa 1500 zu, was die Gefahr der Explosion des Apparats bedeutet.
Um mit dieser Situation fertig zu werden, schafft die vorliegende Erfindung die folgende Ausführungsform.
Bezugnehmend auf Fig. 10, die eine Querschnittdarstellung eines supraleitenden, strombegrenzenden Apparats gemäß der vorliegenden Erfindung ist, ist innerhalb eines Kühlmitteltanks 45 ein Supraleiter 50 untergebracht. Der Supraleiter 50 kann ein strombegrenzendes Element nach Fig. 1, welches sich aus Stapelelementen zusammensetzt, oder dasjenige nach Fig. 9, welches Isolierrohre aufweist, enthalten. Der Tank 45 besitzt einen Kühler 44, der ein Gas 48 mit einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des Supraleiters 50 in den Tank 45 liefert, um den Supraleiter abzukühlen. Um die Kühlwirkung zu verbessern, wird vorzugsweise als gasförmiges Kühlmittel 48 Wasserstroff verwendet, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Allerdings kann auch Stickstoff verwendet werden. Da bei dieser Ausführungsform seitens des Supraleiters 50 im Normalbetrieb keine Wärme entwickelt wird, wird der Supraleiter in einem supraleitenden Zustand gehalten. Wenn allerdings ein Kurzschluß erfolgt und ein Strom, der in dem Supraleiter 50 fließt, dessen kritischen Strom übersteigt, wird die Sprungtemperatur des Supraleiters 50 überschritten und er wird zu einem Widerstand. Die Temperatur des Supraleiters 50 kann aufgrund der erzeugten Wärme über die kritische Temperatur ansteigen. Allerdings wird er durch das gasförmige Kühlmittel 48, dessen Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur liegt, abgekühlt, nachdem der Kurzschlußstrom begrenzt worden ist, und er nimmt wieder einen supraleitenden Zustand ein. Da außerdem flüssiger Stickstoff, dessen Volumen sich beim Verdampfen stark vergrößert, nicht verwendet wird, läßt sich eine direkte Erwärmung des flüssigen Stickstoffs unter Ausschluß einer explosiven Verdampfung auch dann vermeiden, wenn die Unterbrechung bei der Begrenzung des Kurzschlußstroms versagt. In diesem Fall kann der Supraleiter 50 durch den Kurzschlußstrom möglicherweise durchbrennen. Der dadurch entstandene Schaden ist jedoch wesentlich geringer als der Schaden, der durch eine Explosion entsteht, die durch ein momentanes Verdampfen flüssigen Stickstoffs verursacht wird.
Bei dieser Ausführungsform ist es wesentlich, die Temperatur des gasförmigen Kühlmittels 48 unterhalb der kritischen Temperatur zu halten. Wenn allerdings der Kühler versagt, steigt die Temperatur des Gases 48 rasch an, was den Supraleiter in einen Normalzustand bringt. Deshalb muß die Temperatur des gasförmigen Kühlmittels 48 für eine Zeitspanne, bis der Kühler wieder hergestellt ist, unterhalb der kritischen Temperatur des Supraleiters 50 gehalten werden. Dies kann man erreichen durch den Einsatz einer Substanz, die bei einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des Supraleiters 50 in flüssiger Form vorliegt, beispielsweise flüssiger Stickstoff, um das gasförmige Kühlmittel 48 abzukühlen. Das Verdampfen von flüssigem Stickstoff erfordert eine große Wärmemenge, und dies kann die Temperatur des Kühlmittels im Vergleich zur Verwendung von ausschließlich gasförmigem Kühlmittel für eine längere Zeitspanne unterhalb der kritischen Temperatur halten.
Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform, die eine Flüssigkeit 49 verwendet, die bei einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des Supraleiters 50 in flüssiger Form vorliegt, um das gasförmige Kühlmittel 48 abzukühlen. Bei der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform steht das gasförmige Kühlmittel 48 zum Abkühlen des Supraleiters 50 in Berührung mit der Flüssigkeit, welche bei einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des Supraleiters 50 in flüssiger Form vorliegt. Sowohl das gasförmige Kühlmittel 48 als auch die Flüssigkeit 49 haben etwa gleiche Temperatur. Das gasförmige Kühlmittel 48 und die Flüssigkeit 49 können die gleiche Substanz, z.B. Stickstoff, sein, oder es kann sich um Wasserstoff einerseits und Stickstoff andererseits handeln.
Wenn bei dieser Ausführungsform das Niveau der Flüssigkeit 49 bis auf einen vorbestimmten Wert oder darunter absinkt, falls die Temperatur des gasförmigen Kühlmittels auf einen vorbestimmten Wert oder darüber ansteigt, wenn der Druck im Behälter 45 auf einen vorbestimmten Wert oder höher ansteigt, oder wenn der Supraleiter 50 in einen normalleitenden Zustand gebracht wird, beginnt der Kühler zu arbeiten, um sowohl das gasförmige Kühlmittel 48 als auch die Flüssigkeit 49 abzukühlen. Wenn ein Kurzschluß stattfindet und der durch den Supraleiter 50 fließende Strom die kritische Stromstärke überschreitet, der Supraleiter 50 die Sprungtemperatur und wird zu einem Widerstand, wobei er Wärme entwickelt. Wenn die Schaltkreisunterbrechung beim Unterbrechen des Kurzschlußstroms versagt, dauert die Wärmeerzeugung eine lange Zeit an, was die Temperatur des gasförmigen Kühlmittels 48 anhebt. Allerdings wird die Wärme mit geringer Geschwindigkeit auf die Flüssigkeit 49 übertragen, so daß eine explosive Verdampfung der Flüssigkeit 49 ausgeschlossen werden kann.
Fig. 12 zeigt eine Stromversorgungsleitung, bei der der supraleitende, strombegrenzende Apparat gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann. Das unten beschriebene Beispiel verwendet drei supraleitende Vorrichtungseinheiten. Allerdings ist die Anzahl von Einheiten nicht hierauf beschränkt.
Die kritischen Stromstarken Ic1, Ic2, und Ic3 der Einheiten 101 bis 103 sind auf Werte eingestellt, die der Bedingung Ic1 > Ic2 > Ic3 genügen. Schließvorrichtungen 106 und 107 sind zu den Einheiten 102 und 103 parallel geschaltet. Ein Leistungsschalter 104 geringer Nennleistung mit einem Unterbrechungsstrom oberhalb von Ic2 ist in Serie mit der Einheit 103 verschaltet. Das Bezugszeichen 105 kennzeichnet einen Punkt, an dem ein Kurzschluß stattfindet.
Wenn ein Kurzschluß am Punkt 105 stattfindet und der Kurzschlußstrom auf Ic3 ansteigt, geht die Einheit 103 in den normalleitenden Zustand über und begrenzt den Strom auf diesen Wert. Als nächstes arbeitet der eine geringe Nennleistung aufweisende Unterbrecher 104, indem er den kurzgeschlossenen Punkt 105 abschaltet, und dann wird die Schließvorrichtung 107 geschlossen, damit der Strom die Einheit 103 umgeht und dadurch einen Schaltkreis-Neuschließvorgang abschließt.
Anschließend wird das Kühlmittel in der Einheit 103 ergänzt. Wenn deren Temperatur aufgrund der Kühlmittelzuführ auf einen vorbestimmten Wert abfällt, gelangt die Einheit 103 in den supraleitenden Zustand zurück. Anschließend wird die Schließvorrichtung 107 geöffnet, um das System wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückzubringen.
Wenn ein weiterer Kurzschluß während der Wiederherstellung der Einheit 103 erfolgt, werden die Einheit 102 und die Schließvorrichtung 106 in der oben beschriebenen Weise betätigt, um den Schaltkreis erneut zu schließen. In anderen Worten, die Anzahl von Einheiten bestimmt sich durch die Häuffigkeit einer zu beherrschenden Betriebsunterbrechung.

Claims

1. Supraleitender, strombegrenzender Apparat, umfassend: einen ersten Behälter (6, 36, 45);

ein supraleitendes, strombegrenzendes Element (5, 50), das in dem ersten

Behälter (6, 36, 45) aufgenommen ist;

einen supraleitenden, strombegrenzenden Draht (2);

ein Kühlmittel (N, A, 48, 49) zum Füllen des ersten Behälters (6, 36, 45), um das supraleitende, strombegrenzende Element (5, 50) zu kühlen;

einen zweiten Behälter (7) zur Aufnahme des ersten Behälters (6, 36, 45) derart, daß der erste Behälter wärmeisoliert ist; und

einen Leiter (12a, 12b) zum Verbinden des supraleitenden strombegrenzenden Elements (5, 50) mit einem externen Stromnetz,

dadurch gekennzeichnet, daß

das supraleitende, stronibegrenzende Element (5, 50) einen Stapel aus mehreren Stapelementen (1) enthält, der strombegrenzende Draht (2) in den Stapelelementen in Reihenschaltung aufgenommen ist, der supraleitende begrenzende Draht (2) eine Widerstandszunahme aufweist, wenn ein Strom in dem supraleitenden, strombegrenzenden Draht (2) einen bekannten Wert übersteigt, und der supraleitende, strombegrenzende Draht (2) in jedem der Stapelelemente mäanderförmig derart angeordnet ist, daß magnetische Flüsse, die erzeugt werden durch Ströme, die in benachbarten Teilen des supraleitenden, strombegrenzenden Drahts in jedem Stapelelement fließen, unter Schaffung eines nicht-induktiven Zustands aufgehoben werden.

2. Supraleitender, strombegrenzender Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapelelemente (1) derart einzeln übereinander gelegt sind, daß ein Kanal für ein Kühlmittel (N, 48) zwischen benachbarten Stapelelementen gebildet wird.

3. Supraleitender, strombegrenzender Apparat nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Stapelelemente (1) auf mindestens einer Seite eine Ausnehmung (1a) besitzt.

4. Supraleitender, strombegrenzender Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Stapelelemente (1) auf der Seite, auf der der strombegrenzende Draht (2) gelagert ist, eine Ausnehmung (1a) besitzt.

5. Supraleitender, strombegrenzender Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Stapelelemente (1) auf derjenigen Seite eine Ausnehmung (1a) besitzt, die derjenigen gegenüberliegt, auf der der strombegrenzende Draht (2) angebracht ist.

6. Supraleitender, strombegrenzender Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Stapelelemente (1) auf seinen zwei Seiten Ausnehmungen (1a, 1b) besitzt.

7. Supraleitender, strombegrenzender Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lücke zwischen dem ersten Behälter (6, 36, 45) und dem zweiten Behälter (7) mit einem wärmeisolierenden Material gefüllt ist.

8. Supraleitender, strombegrenzender Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lücke zwischen dem ersten Behälter (6, 36, 45) und dem zweiten Behälter (7) zur Bildung eines Vakuums evakuiert ist.

9. Supraleitender, strombegrenzender Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel (N, A) flüssiger Stickstoff ist.

10. Supraleitender, strombegrenzender Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel (48) ein Gas mit einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des supraleitenden, strombegrenzenden Elements (5, 50) ist.

11. Supraleitender, strombegrenzender Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel (48, 49) flüssigen Stickstoff und ein Gas mit einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des supraleitenden, strombegrenzten Elements (5, 50) enthält.

12. Supraleitender, strombegrenzender Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der strombegrenzende Draht (2), der in jedem der Stapelelemente (1) aufgenommen ist, mehrere strombegrenzende Drahtelemente (20) umfaßt, die mit gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind.

13. Supraleitender, strombegrenzender Apparat nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Stapelelemente (1) einen Isolierstoff mit Maschenstruktur aufweist.

14. Supraleitender, strombegrenzender Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühler (11, 44) zum Kühlen des Kühlmittels (N, 48, 49) vorhanden ist.