EP3557595A1 - Begrenzen eines elektrischen betriebsstroms eines betriebsstromkreises - Google Patents

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EP3557595A1
EP3557595A1 EP18167724.6A EP18167724A EP3557595A1 EP 3557595 A1 EP3557595 A1 EP 3557595A1 EP 18167724 A EP18167724 A EP 18167724A EP 3557595 A1 EP3557595 A1 EP 3557595A1
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EP
European Patent Office
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winding
electrical
current
limiting device
conductor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18167724.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Schacherer
Anne Bauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP18167724.6A priority Critical patent/EP3557595A1/de
Publication of EP3557595A1 publication Critical patent/EP3557595A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/02—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions for non-linear operation
    • H01F38/023—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions for non-linear operation of inductances
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F2006/001—Constructive details of inductive current limiters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • H01F6/065—Feed-through bushings, terminals and joints

Definitions

  • the invention relates to a current limiting device for limiting an electrical operating current of an operating circuit having a first and a second electrical connection for connection to the operating circuit, a first winding having at least a first electrical conductor, wherein in each case a conductor end of the at least one first electrical conductor to a a second winding having at least a second electrical conductor made of an electrically superconducting material whose conductor ends are electrically coupled to each other, wherein the first and the second winding are arranged to make a magnetic coupling, and a cooling unit, the is designed to cool the second winding in normal operation to a temperature which is less than a transition temperature of the electrically superconducting material.
  • the invention further relates to a method for operating a current limiting device for limiting an electrical operating current of an operating circuit, wherein a first winding, which has at least one first electrical conductor and is connected to the operating circuit, is acted upon by an electrical operating current of the operating circuit, a second winding with at least one second electrical conductor made of an electrically superconducting material whose conductor ends are electrically coupled to each other, is magnetically coupled to the first winding, and the second winding is cooled during normal operation to a temperature which is less than a transition temperature of the electrically superconducting material ,
  • the invention also relates to a method for producing a current limiting device for limiting an electrical operating current of an operating circuit, wherein a first winding with at least a first electrical conductor is made, wherein in each case a conductor end of the at least one first electrical conductor is connected to a respective one of two electrical terminals for connecting the current limiting device to the operating circuit, a second winding is produced with at least one second electrical
  • Generic current limiting devices also called superconducting current limiters (SFCL) for short, are well-studied devices which are suitable for limiting operating currents outside normal operation, in particular for an overcurrent which is greater than a rated current, such as, for example, in the event of a short circuit in an electrical center. or high-voltage system, serve. They can be designed with different concepts both as predominantly inductive and as predominantly resistive current-limiting devices or also from any combination of both concepts.
  • SFCL superconducting current limiters
  • Resistive current limiting devices are electrically connected directly to the operating circuit.
  • a resistive current-limiting device generally has a superconducting band conductor, which is acted upon by the operating current of the operating circuit.
  • inductive current limiting device two different concepts are in use, on the one hand with a shielded ferromagnetic material and on the other hand with a premagnetized ferromagnetic material.
  • a current is induced by means of an electrical coil through which the operating current flows due to a magnetic coupling in a superconducting winding.
  • the ferromagnetic material is shielded and temporarily ineffective.
  • the ferromagnetic material is effective and there is a change in the impedance, which acts to limit the current.
  • An electric voltage which drops in the case of engagement of the limiting means at the current limiting means can be adjusted via a turns ratio of the first and second windings and via the resistive resistance of the superconducting winding in the non-superconducting state.
  • the current-limiting device can conduct an overcurrent, for example the short-circuit current, for a given time, for example a few seconds.
  • an overcurrent for example the short-circuit current
  • An important condition for the use of a generic current-limiting device is further that, especially in the case of short circuit, the current in the superconductor is rapidly interrupted.
  • interruption of the current in the superconductor is possible only by switching off the current through the choke coil. Decisive here is therefore the switching off of the current in the superconductor. If possible, the current-limiting functionality should be retained.
  • a heated superconducting material to produce its superconducting electrical conductivity may need to be cooled below the transition temperature again, so that the superconducting current flow, which is in the normal operation of the current limiting device, when the operating current is smaller than the reference current can be resumed.
  • a period of several seconds may be required for appropriate cooling. This applies to the frequently used above-mentioned concepts both for the resistive current-limiting device and for the inductive current-limiting device with the shielded ferromagnetic material.
  • Current limiting devices are generally used in power engineering, in particular the electrical power supply.
  • electrical power engineering such current limiting devices are used using choke coils according to the principle of the shielded iron core (shielded, ferromagnetic material) or the Gleichstromvormagnetinstrumenten iron core (pre-magnetized ferromagnetic material).
  • the iron cores used there have a high volume and a high weight and incidentally in normal operation outside the current limiting functionality a comparatively high impedance with respect to the operating circuit to which they are connected cause.
  • a generic current limiting device discloses, for example, the DE 10 2007 007 087 A1 US-A-4/51325 discloses a current limiting device having a variable coil impedance.
  • a superconducting coil inside a choke coil, the inductance and consequently also the impedance of the choke coil can be reduced. This is done by inducing a current in the superconducting coil through the choke coil which at least partially compensates for a magnetic field of the choke coil.
  • the superconducting coil is cooled by means of a cryostat to a temperature which is lower than the transition temperature of the particular superconducting material used. This coil is shorted.
  • the superconducting coil at least partially compensates the magnetic field of the choke coil.
  • the inductance of the choke coil is reduced and a voltage drop across the choke coil is reduced accordingly.
  • the current limiting functionality is realized in that at a certain current value of the operating current, which is applied to the choke coil and which is greater than the comparison value, the superconducting material of the superconducting coil is in a normal state.
  • the inductance of the choke coil as a whole increases, so that thereby a current limiting functionality of the choke coil can be achieved.
  • the current limiting device is therefore formed here from a choke coil which is magnetically coupled to the superconducting coil.
  • the current-limiting device basically does not need any ferromagnetic material, in particular also no iron core.
  • the above procedure is also applicable to an inductive current limiting device based on the principle of the shielded iron core.
  • the current limiting effect is usually lower than in the case of a resistive current-limiting device, it is customary to use a parallel-connected choke coil waived.
  • it is not easily possible to interrupt the electric current flowing through the second winding because the electric current in the second winding is induced solely by magnetic coupling with the first winding. For this reason, therefore, usually the first winding is switched off from the operating circuit and thus interrupted the operating current.
  • an inductive current limiter for DC applications is known, which is designed as an inductive superconducting current limiter, also known as Superconducting Fault Current Limiter (SFCL), and whose function is based on a magnetic field of a flow-rate reactor by means of a short coil of a superconducting material compensate to provide the lowest possible inductance through the inductor outside the limiting functionality.
  • SFCL Superconducting Fault Current Limiter
  • the superconducting coil can no longer conduct the corresponding coil current superconducting, whereby the compensation of the magnetic field is significantly reduced.
  • the inductance of the inductor increases accordingly strong.
  • the superconducting coil may initially be cooled below the critical temperature again due to thermal effects during the triggered state.
  • the resistive solder joint has the disadvantage of limited effectiveness.
  • the time to restore the normal operating state outside the triggered state is comparatively long.
  • the invention has for its object to improve reactivation of the current limiting device after triggering due to an operating current that is greater than the comparison current to improve.
  • the invention proposes a current-limiting device, a method for operating the current-limiting device and also a method for producing the current-limiting device according to the independent claims.
  • a generic current-limiting device it is in particular proposed that it has a switching unit for electrically coupling the conductor ends of the at least one second electrical conductor as a function of a switching state of the switching unit.
  • the conductor ends of the at least one second electrical conductor are electrically coupled as a function of a switching state of a switching unit coupling the conductor ends.
  • a switching unit is arranged, by means of which the conductor ends of the at least one second electrical conductor are electrically coupled as a function of a switching state of the switching unit.
  • the invention is based on the idea that by integrating a switching unit in the current limiting device a shutdown for a current flow in the second winding can be achieved so that the adverse effects caused by the triggering of the current limiting device, can be returned quickly and quickly. As a result, proper operation of the current-limiting device can be achieved again as soon as possible.
  • the switching unit may comprise one or more electromechanical switching elements and optionally also semiconductor switches as needed. Of course, combinations thereof may be provided.
  • the switching unit is arranged directly in the region of the second winding and, moreover, can also be formed in one piece with the second winding. This allows a compact design can be achieved, so that the intended functionality of the current limiting device can be improved.
  • the operating circuit is a circuit in which a predetermined operating current flows during normal operation in an undisturbed state. This stream can preferably be performed permanently in the operating circuit.
  • the operating circuit can thus be, for example, an electrical energy supply network, in particular a medium-voltage network or a high-voltage network.
  • the invention is not limited to medium voltage or high voltage applications. Of course, it can also be used at a low voltage, in particular a low voltage according to the Directive 2014/35 / EU of the European Parliament and of the Council of 26 February 2014 on the harmonization of the laws of the Member States relating to the supply of electrical equipment for use within certain voltage limits in the market.
  • Low voltage means in particular an alternating voltage between about 50 V and 1000 V or a DC voltage between about 75 V and about 1500 V.
  • Mean voltage means in particular an electrical AC voltage between about 1000 V to about 52 kV.
  • High voltage means in particular an alternating voltage that is greater than about 52 kV, in particular greater than 60 kV, preferably greater than 63
  • the operating circuit is used to electrically couple electrical devices such as electrical loads, electrical power generators and / or the like for the purpose of exchanging electrical energy.
  • the operating current is therefore an electrical current which serves to distribute the electrical energy between the electrical devices connected to the operating circuit.
  • the current limiting device preferably has the first and the second electrical connection for connection to the operating circuit.
  • the current-limiting device is therefore designed, in particular, to be connected to the operating circuit in such a way that the operating current of the operating circuit also flows through the current-limiting device. This purpose is served by the first and the second electrical connection.
  • the current-limiting device can therefore have its own housing as an individually manageable module, on which the two electrical connections are arranged in order to enable a connection to the operating circuit.
  • appropriate electromechanical connection means such as plug and / or screw terminals, solder joints, clamp connections and / or the like may be provided.
  • the current-limiting device has the first winding, which has at least one electrical conductor, wherein in each case one conductor end of the at least one first electrical conductor is connected to a respective one of the electrical connections. If two or even more first electrical conductors are provided, these are preferably connected in parallel to the terminals.
  • the plurality of first electrical conductors are preferably also arranged spatially substantially parallel.
  • the first winding can thus provide a choke coil, which provides an electrical inductance in a known manner.
  • the first winding has at least a single turn of the at least one first electrical conductor. As a rule, however, a plurality of turns of the at least one electrical conductor are provided for forming the first winding.
  • the first electrical conductor may be an ordinary electrical conductor, which may have a variety of cross-sectional shapes such as round, square, combinations thereof and / or the like as needed. Also conceivable are waveguides, for example tubes, for cooling, for example by means of water. This could be particularly interesting in this concept, due to the advantageous compact design, in particular with respect to a magnetic coupling between the first and the second winding.
  • the electrical conductor may preferably have an insulating layer, so that, in particular in the case of a plurality of adjacently arranged turns, an electrical insulation can be achieved with respect to adjacently arranged turns or by means of further first electrical conductors.
  • the at least one first electrical conductor may be formed from a material such as copper, aluminum, alloys thereof and / or the like.
  • a conductor cross section of the first electrical conductor is preferably adapted to a rated current for the operating circuit.
  • the conductor ends are preferably connected directly to the first and the second electrical connection.
  • the current-limiting device furthermore has the second winding with the at least one second electrical conductor made of an electrically superconducting material.
  • the electrically superconducting material may be, for example, YBCO or the like. But other suitable materials that show superconducting properties can be used here. Combinations thereof may also be provided.
  • the at least one second electrical conductor may, like the first electrical conductor, have a suitable cross-section in order to achieve the desired current conduction during normal operation to realize in the second winding. Even if a shape of the cross section of the at least one second electrical conductor can be selected as well as the at least one first electrically conductor, the second electrical conductor is preferably designed as a strip.
  • the shape of the cross sections of the at least one first and the at least one second conductor may be selected to be approximately equal and also different from each other.
  • the second electrical conductor likewise has conductor ends, which, however, are electrically coupled to one another here, unlike the at least one first electrical conductor, so that the second winding can be substantially short-circuited.
  • the first and second windings are arranged to make a magnetic coupling with each other. This makes it possible for the first and the second winding to interact magnetically with one another. If the first winding flows through the operating current, it generates a magnetic field, which causes a corresponding current flow in the second winding. Since the second winding can be substantially short-circuited by the coupling of the line ends of the second electrical conductor, a compensation of the magnetic field generated by the first winding can be achieved hereby. An inductance of the first winding can thereby be reduced.
  • the compensation of the inductance can be achieved particularly favorable in that the superconducting material is cooled by means of the cooling unit to a temperature which is less than its transition temperature.
  • the second winding is superconducting if it is correspondingly cold.
  • a large compensation effect with respect to the inductance of the first winding can be achieved.
  • the operating current is smaller than the comparison value, which may correspond to a comparison current, thus an almost complete compensation of the inductance of the first winding can be achieved, especially if the second Winding is arranged and / or aligned within the first winding.
  • the current flow in the second winding increases in such a way that the superconducting effect of the at least one second electrical conductor is reduced or even completely lost. Consequently, as a result, the inductance of the first winding increases, so that the current limiting device provides a large inductance in order to achieve the desired current limiting function can.
  • the current-limiting device hardly affects the operating circuit. If, however, the operating current is greater than the comparison current, the inductance increases, preferably almost directly, so that the desired current-limiting effect can be provided.
  • the comparison value which is dependent on properties of the second winding, thus determines from which current the current limiting device provides its current limiting functionality. As a result, the comparison value or the comparison current can be determined.
  • the cooling unit can be designed, for example, as an integrated cryostat or the like.
  • the cooling unit can of course also be formed only by a suitable heat exchanger device, which is connected to a corresponding heat sink.
  • the cooling unit is preferably thermally well coupled to the second winding, in particular the second electrical conductor.
  • the switching unit is provided according to the invention.
  • the switching unit namely the conductor ends the at least one second electrical conductor are electrically separated from each other depending on the switching state of the switching unit.
  • a current flow in the second electrical conductor can be interrupted so that the standby mode of the current-limiting device can be restored almost in a timely manner.
  • disconnecting the initial state does not need to be restored immediately. After disconnecting, it is possible to wait for a re-cooling time, before subsequently switching the switching unit back into the switched-on switching state. Then the initial state is restored.
  • one or more electromechanical switching elements and also alternatively or additionally semiconductor switching elements can be provided.
  • the switching element or the switching elements can be arranged integrated into the second winding.
  • a separate control unit is provided, by means of which the switching unit is controlled in the desired manner.
  • the switching unit may preferably occupy at least two switching states, namely a switched-on switching state and a switched-off switching state. In the switched-on switching state, the conductor ends of the second electrical conductor are directly electrically connected to each other. In the switched-off state, the conductor ends, however, are electrically isolated from each other, so that a current flow can be substantially interrupted.
  • the winding namely the first and / or the second winding, is preferably formed from the at least one electrical conductor, which provides at least one turn for this winding.
  • a plurality of conductors may be provided, which are preferably arranged adjacent to each other and which may be connected in series and / or also connected in parallel.
  • the second winding can Furthermore, it can be provided that, in the case of a plurality of electrical conductors, the respective electrical conductors can be short-circuited by means of the switching unit.
  • the switching unit can provide appropriate switching elements for this purpose.
  • the operating current can be lowered and thereby adapted to the requirements of the energy supply network.
  • the switching unit is also thermally coupled to the second winding. It can thereby be achieved that a thermal gradient within the second winding can be largely avoided. In particular, in standby mode, an expense for the cooling of the second conductor can therefore be kept as low as possible.
  • the thermal coupling of the switching unit can be achieved, for example, in that the switching unit is formed integrally with the second winding.
  • the conductor ends of the at least one electrical conductor of the second winding are preferably arranged opposite one another and the switching unit is designed to produce the electrical coupling of the line ends by means of at least one contact bridge.
  • the conductor ends can be electrically coupled to one another in a simple manner, without the conductor ends having to be mechanically moved or actuated. Especially with superconducting materials, which often have mechanically unfavorable properties, this is advantageous. Thereby, a reliable switching unit can be provided.
  • the switching unit comprises a microswitch arrangement with a plurality of microswitches.
  • the micro switch arrangement it is possible to integrate the switching unit in a simple manner, in particular in the second winding.
  • the micro-switch assembly may be in the manner of a micro-electro-mechanical system Be formed (MEMS).
  • MEMS micro-electro-mechanical system Be formed
  • the microswitches may in particular be formed by electromechanical switching elements and, for example, have dimensions in the range from about 10 ⁇ m to about 100 ⁇ m or more.
  • the microswitches can be manufactured by manufacturing processes of semiconductor technology, for example by using etching or the like.
  • the microswitches can be directly connected to the at least one second electrical conductor, in particular on the superconducting material or its protective layer, which may preferably consist of silver of gold, of the at least one second conductor.
  • microswitch can have the further advantage that a light resistive electrical resistance can thereby be created, in particular in standby mode, which can be advantageously used for reducing the current in the second winding.
  • a light resistive electrical resistance can thereby be created, in particular in standby mode, which can be advantageously used for reducing the current in the second winding.
  • the switching elements in particular the micro-switches, can be designed to be actuated, for example, electrostatically, electromagnetically, electrothermomechanically or even piezoelectrically or the like.
  • These drive mechanisms for the switching elements or the microswitches preferably do not require any direct mechanical contact in order to be able to actuate the switching element or the microswitch. This is particularly advantageous in view of the fact that the switching elements or the micro-switch can be arranged integrated into the second winding. Since the second winding, in particular the second electrical conductor, must be cooled as a rule, this can easily control the Switching elements or the microswitch be realized outside a cooled area.
  • the switching elements or the microswitches are designed substantially insensitive to a magnetic action, so that the functionality can be largely avoided by a possible magnetic field of the first winding.
  • the switching elements or the microswitches could also be arranged within the second winding, in which case they would then be arranged in the standby mode in a magnetically shielded region, it should be borne in mind that if the comparison current is exceeded by the operating current, the superconducting effect of the material is lost or can be attenuated, whereby a shielding effect is reduced accordingly or eliminated and the switching elements or the microswitch would then be exposed to the magnetic field.
  • the microswitches are at least partially connected in parallel. This makes it possible to use standardized microswitches and to connect them in parallel as required in order to be able to carry out a predefinable rated current in the switched-on switching state. This proves to be particularly advantageous when a plurality of standardized micro-switches is arranged on a common carrier. As a result, the parallel connection can also be realized in a simple way, which can be achieved at least partially via the carrier.
  • microswitches are at least partially connected in series.
  • This development has the advantage that an improved dielectric strength can be achieved. Since only relatively small creepage and clearance distances can usually be realized by means of the microswitch, it may be useful to achieve a predetermined dielectric strength, a suitable number of micro-switches to connect in series. As a result, the requirements in terms of creepage distances and clearances can be better met.
  • this development may also include an at least partial parallel connection of the microswitch.
  • the microswitches can be manufactured in a simple manner using known semiconductor technology manufacturing methods.
  • it can be achieved in this way that the micro-switches can be formed with substantially the same electrical and / or mechanical properties, so that reliable operation of the individual micro-switches can be achieved with low tolerances.
  • a simple arrangement of the microswitch arrangement in the region of the second winding can be achieved in this way.
  • the microswitch arrangement is designed to control at least some of the microswitches by means of a common control signal. As a result, a uniform actuation of the individual microswitches can be achieved. This proves to be particularly advantageous when some of the microswitches are connected in parallel or also connected in series. Overall, so that a reliable switching operation can be achieved.
  • the microswitches have a respective pivoting lever whose pivotal state is adjustable by means of a drive element at least as a function of the switching state of the switching unit.
  • a suitable contact element can be arranged on the pivot lever, which can contact an opposite contact element or also a plurality of contact elements, which are preferably stationarily positioned, in a respective pivot position.
  • the pivot state of the pivot lever can be adjusted accordingly by means of the drive element, so that the desired Switching state of the switching unit can be made.
  • the drive element or the drive unit can be formed by a contact, which acts on the pivoting lever via a force field in order to be able to pivot it into the desired pivoting position which corresponds to the respective switching state.
  • each swivel lever of the micro-switch is assigned its own drive element, wherein the micro-switch arrangement is designed to control the drive elements independently of each other.
  • the micro-switch arrangement is designed to control the drive elements independently of each other.
  • the current distribution of the microswitches can be set in parallel operation by the action of a respective force of the drive element on the pivoting lever.
  • corresponding spring elements can be provided in addition, by means of which the force can be calibrated appropriately.
  • the drive elements are independently controllable, so that, if necessary, the current control of the individual micro-switches can be varied almost individually.
  • the microswitches are magnetically unaffected. It can thereby be achieved that the functionality of the microswitch is not influenced by a magnetic field of the first and / or the second winding. This can be accomplished by selecting one or more suitable materials for the microswitches, which are preferably non-ferromagnetic.
  • the second winding comprises at least two electrical conductors formed separately from one another and the switching unit is designed to couple the respective conductor ends of these electrical conductors separately depending on the switching state of the switching unit.
  • the at least two second electrical conductors can be operated almost independently of each other.
  • they are electrically insulated from each other. This makes it possible to adjust the functionality of the second winding as needed.
  • the switching unit is designed to provide mutually independent respective switching states for the second electrical conductors. This makes it possible to adjust the current limiting device not only during commissioning, but also during normal operation later. As a result, a highly flexible current-limiting device can be achieved.
  • the production of micro-switches can be at least partially comparable to the manufacturing process of the second electrical conductor of the superconducting material.
  • the microswitch directly, preferably directly, on or in the superconducting second conductor, in particular to integrate.
  • the at least one second electrical conductor is designed as a band conductor.
  • the at least one second electrical conductor in particular in turns thereof.
  • This can be achieved in that the at least one second electrical conductor forms only a single turn of the second winding.
  • a plurality of second electrical conductors may be provided which form respective further individual turns. Each of these windings can be equipped correspondingly switchable by means of a microswitch arrangement.
  • a switching unit in particular a micro switch arrangement
  • a winding of at least one second electrical conductor made of a superconducting material on the one hand good damping of the current of the second winding can be achieved.
  • the at least one second electrical conductor can be switched off without having to separate the first winding, which is connected in the operating circuit in the manner of a choke coil, from the operating circuit.
  • the switching unit in particular the microswitch assembly
  • a galvanic separation of the corresponding conductor ends can be achieved.
  • the switching unit in particular the microswitch arrangement, makes it possible to achieve a very short turn-off time, for example of a few microseconds or the like. Since a small induced voltage can be achieved by a suitable construction with preferably a few turns, problems when switching off the second winding by means of the switching unit arcs can be largely avoided.
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view of a current limiting device 10 for limiting an electrical operating current of an operating circuit not shown.
  • the current limiting device 10 has a first and a second electrical connection 12, 14 for connection to the operating circuit. This is in FIG. 8 only shown schematically.
  • the current limiting device 10 comprises a first winding 16 in the manner of a choke coil, which has a first electrical conductor 18 made of a copper alloy, which forms the first winding 16 with a plurality of turns.
  • the first winding 16 is formed in the manner of a cylindrical coil. Conductor ends of the first electrical conductor 18 are connected to a respective one of the electrical terminals 12, 14. As a result, the first winding 16 can be acted upon by the operating current of the operating circuit.
  • the current-limiting device 10 furthermore comprises a second winding 20 with a plurality of second electrical conductors 22 made of an electrically superconducting material, in the present case magnesium diboride.
  • an electrically superconducting material in the present case magnesium diboride.
  • Magnesium diboride has a transition temperature of about 39 K and thus applies as a high-temperature superconductor, but other superconducting materials are known, which have higher transition temperatures.
  • the superconducting material may also comprise an oxide ceramic material as a high-temperature superconductor.
  • this may be a material of the type REBa 2 Cu 3 O x .
  • This material class advantageously allows the formation of electrical conductors with high transition temperatures, in particular with respect to the critical temperature of magnesium diboride.
  • the application of the invention is not limited to these materials.
  • other suitable superconducting materials can also be used.
  • YBCO ReBCO
  • ReBCO is particularly suitable as a superconducting material which can be used as an alternative to magnesium diboride.
  • each of the second electrical conductors 22 forms a single winding of its own, wherein the respective conductor ends of a respective one of the second electrical conductors 22 are electrically coupled together.
  • each of the second electrical conductors 22 forms a short-circuited turn of the second winding 20.
  • the individual windings are arranged coaxially adjacent to one another, so that in this case too a coil essentially in the form of a cylindrical coil is formed.
  • the first and second windings 16, 20 are arranged to make a magnetic coupling.
  • the first and the second winding each of which is substantially cylindrically shaped, are arranged to each other such that the second winding 20 within an inner diameter of the first winding 16 concentric with the first winding 16 with respect to an axis A is arranged.
  • the first and the second winding in the present case have approximately the same axial extent.
  • the turns of the second electrical conductors 22 form short-circuited individual turns.
  • the first and second windings 16, 20 are thus magnetically coupled.
  • a cooling unit 24 which comprises a container made of a thermally insulating material and a in the Has substantially cylindrical cup shape, which can be formed closed at a first end and closed at a second end by means of a circular disc.
  • the second winding 20 is arranged inside the container of the cooling unit 24.
  • the container is arranged together with the second winding 20 within the inner diameter of the first winding 16.
  • a cooling fluid 38 is further arranged, by means of which the second winding 20 can be cooled to a lower temperature than the transition temperature of the superconducting material of the second electrical conductor 22.
  • the container of the cooling unit 24 is formed of a non-ferromagnetic material.
  • FIG. 8 is a schematic diagram representation provided, from which a course of a magnetic field strength is shown as a function of a radius with respect to the axis A. Below a predetermined comparison current, in which the second winding 20 carries a current in the superconducting operating state, a magnetic field strength H within the second winding 20 is approximately zero. In a region between the inner radius and an outer radius of the second winding 20, the magnetic field strength H increases up to a maximum value of H 1 .
  • This value of the magnetic field strength remains substantially constant up to the inner diameter of the first winding 16. In the further course radially outward then decreases the magnetic field strength H in a known manner until it reaches a minimum value, to then approach outside of the first winding 16 with increasing radius zero.
  • the field strength curve of the magnetic field strength is shown schematically as a function of the radial distance from the axis A.
  • the current limiting device 10 In the in FIG. 8 In the illustrated state, the current limiting device 10 is in a standby mode, which is maintained as long as the operating current is less than the comparison current.
  • the comparison current is greater than the comparison value
  • the second winding 20, in particular its second electrical conductor 22 leaves the superconducting state and the field strength course changes to the effect that a magnetic field now also occurs within the second winding 20.
  • the inductance of the first winding 16 correspondingly increases, whereby the current limiting device 10 provides a high impedance with respect to the operating current.
  • the operating current if it is greater than the comparison value, be limited.
  • FIG. 1 and FIG. 9 now show a first embodiment for the second winding 20 according to the invention.
  • a schematic plan view of the second winding 20 is shown.
  • an associated schematic side view of the winding 20 is shown.
  • the conductor ends of the second electrical conductors 22 are electrically connected to respective micro switch assemblies 26 as switching units.
  • the respective second electrical conductor 22 can either be short-circuited or opened.
  • the second electrical conductors 22 are presently designed as a band conductor and the micro switch assemblies 26 are attached to the respective conductor ends.
  • FIG. 2 and FIG. 10 show an alternative embodiment of the second winding 20, wherein the conductor ends of the second electrical conductors 22 are bent inwardly and the micro switch assemblies 26 attached to the inner conductor ends are.
  • the microswitch assemblies 26 are substantially protected against magnetic field in a standby mode of the current limiting device 10, wherein the operating current is smaller than the comparison current. This is also particularly advantageous if switches other than MEMS are used.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram representation of a microswitch assembly 26, as in the previous embodiments according to the 1 and 2 respectively 9 and 10 can be used. It can be seen that a plurality of microswitches 30 mounted on a common carrier 32 (FIG. FIG. 4 ) are arranged in series, in order to provide a predetermined dielectric strength in the off state can. In order at the same time to be able to achieve a corresponding current-carrying capacity in the switched-on state, several of the aforementioned series circuits are connected in parallel. By the number of series-connected and / or parallel microswitch 30, a rated current and also a rated voltage can be adjusted if necessary.
  • the second electrical conductors 22 are band-shaped and have a width of about 12 mm.
  • a thickness of the band-shaped second conductor 22 is about 0.15 mm. Due to the special design of the second winding 20 can be achieved that when opening the micro-switch assembly 26 only a voltage of some 10 V is applied, although the current limiting device 10 can be operated in an operating circuit, which is designed for a rated voltage of about 10 kV or more ,
  • the number of parallel connected series circuits of microswitches 30 may be selected depending on the rated current, which may be, for example, in a range of about 100 A to about 1 kA or more.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of a single microswitch 30 of the microswitch assembly 26. It can be seen that the micro-switch 30 is disposed on a substrate 32 and the carrier. Although only a single microswitch is shown in the present case, it is provided in the present embodiment that all of the microswitches 30 are in accordance with FIG FIG. 3 are arranged on the common substrate 32.
  • the substrate 32 is formed of glass. However, another suitable material may be chosen.
  • the substrate 32 is connected to a silicon plate 50 by means of a eutectic adhesive 48, wherein the silicon plate 50 and the substrate 32 are treated accordingly by known methods to form a pivoting lever 34 of the respective microswitch 30.
  • the pivot lever 34 is elastic due to its dimensions and can therefore be used to realize a switching function of the microswitch 30.
  • the pivot lever 34 is fixedly arranged for this purpose with a first end 52, so that a second end 54 is pivotable in a predetermined manner.
  • a contact bridge 28 is arranged, which is fixedly connected to the second end 54 of the pivot lever 34.
  • the contact bridge 28 has an electrically conductive connecting element 46.
  • connecting element 46 electrical contact elements 42, 44 are arranged on the corresponding conductor ends of the second electrical conductor 22.
  • an electrical contact between the contact elements 42, 44 is produced by means of the connecting element 46 of the contact bridge 28.
  • the contact bridge 28 with the connecting element 46 is arranged away from the contact elements 42, 44, so that a current through the respective one of the second electrical conductors 22 is suppressed. This can be seen in the perspective Representation of a section of the microswitch 30 in the schematic representation according to FIG. 5 ,
  • a contact stroke in the present case about 2 microns to about 3 microns.
  • a length of the pivot lever 34 is presently about 200 microns to about 300 microns.
  • an electrostatic drive element 36 is presently provided.
  • the drive element 36 comprises a metallization as an electrode, which can be acted upon by means of a control device, not shown, with a predetermined electrical voltage. In this way, an electrostatic force can be exerted on the pivot lever 34, which is dependent on the voltage applied to the drive element 36, so that the desired switching states can be set in a predeterminable manner.
  • FIGS. 6 and 7 show the micro-switch 30 in the two different switching states, wherein FIG. 6 the switched off switching state and FIG. 7 represent the switched-on switching state.
  • FIG. 6 the switched off switching state
  • FIG. 7 represent the switched-on switching state.
  • the further information corresponds to what has already been said on the basis of 4 and 5 why, in this regard, reference is made to the relevant explanations.
  • the microswitch assembly 26 is in the present case realized in the manner of micro-electro-mechanical system and uses technologies that is already known for the processing of semiconductor microelectronics based on silicon. With regard to the realization of the microswitch assembly 26 is further on Keimel et al., Micro-Electromechanical-Systems based switches for power applications, IEEE Transactions on Industrial Applications, 48 (4), 1163-1169, July 2012 , referenced.
  • an actuating mechanism for the micro-switches 30 is based on electrostatics.
  • an actuation voltage may range from about 35V to about 80V.
  • a contact resistance may be, for example, about 1 ⁇ in the switched-on switching state.
  • contact material in the present case gold is provided, but it can also be used if necessary, another suitable material. It can also be advantageous to form the stationary and the moving contact elements made of different materials.
  • the opposing contacts need not necessarily be of the same material.
  • the microswitch 30 may be configured for a rated voltage of about 40V to about 100V.
  • a current load may range from about 0.05 A to about 0.2 A.
  • a size of the microswitch 30 may be about 0.0004 cm 2 to about 0.001 cm 2 .
  • a switching time can be achieved in a range from about 1 ⁇ s to about 20 ⁇ s. In this arrangement, it is possible that about 10,000 to about 100,000 operations can be achieved.
  • microswitch 30 By a combination of the microswitch 30 to the microswitch assembly 26 according to FIG. 3 It is possible to reach rated voltages in a range up to about 1000V. Here, a current of about 630 A can be achieved. For this purpose, about 25 microswitches 30 in series and about 3,150 such series circuits can be connected in parallel. This may result in a number of micro-switches 30 of about 236,250.
  • the switching unit is formed by a microswitch arrangement 26, it can be provided in alternative embodiments that the switching unit can also be formed by semiconductor switches, for example based on transistors such as Isolated Gate Bipolar Transistor (IGBT), field effect transistors, thyristors and / or the like. Also conceivable are commercially available mechanical low-voltage switches.
  • IGBT Isolated Gate Bipolar Transistor
  • the arrangement of the windings can be adapted to each other as needed.
  • a cross section of the windings need not be circular. It can also be elliptical or angular. Combinations thereof may also be provided.
  • the cooling unit 24 it may be provided for the cooling unit 24 that the cooling fluid 38 is conveyed via connecting lines, not shown, to a cooling device in order to be cooled there to a predetermined temperature. As a result, a cooling circuit for the cooling unit 24 can be formed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungseinrichtung (10) zum Begrenzen eines elektrischen Betriebsstroms eines Betriebsstromkreises mit:- einem ersten und einem zweiten elektrischen Anschluss (12, 14) zum Anschließen an den Betriebsstromkreis,- einer ersten Wicklung (16), die wenigstens einen ersten elektrischen Leiter (18) aufweist, wobei jeweils ein Leiterende des wenigstens einen ersten elektrischen Leiters (18) an einen jeweiligen der elektrischen Anschlüsse (12, 14) angeschlossen ist,- einer zweiten Wicklung (20) mit wenigstens einem zweiten elektrischen Leiter (22) aus einem elektrisch supraleitenden Werkstoff, dessen Leiterenden miteinander elektrisch gekoppelt sind, wobei die erste und die zweite Wicklung (16, 20) zum Herstellen einer magnetischen Kopplung geeignet angeordnet sind,- einer Kühlungseinheit (24), die ausgebildet ist, die zweite Wicklung (20) im bestimmungsgemäßen Betrieb auf eine Temperatur zu kühlen, die kleiner als eine Sprungtemperatur des elektrisch supraleitenden Werkstoffs ist, sowie einer Schalteinheit (26) zum elektrischen Koppeln der Leiterenden des wenigstens einen zweiten elektrischen Leiters (22) abhängig von einem Schaltzustand der Schalteinheit (26).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungseinrichtung zum Begrenzen eines elektrischen Betriebsstroms eines Betriebsstromkreises mit einem ersten und einem zweiten elektrischen Anschluss zum Anschließen an den Betriebsstromkreis, einer ersten Wicklung, die wenigstens einen ersten elektrischen Leiter aufweist, wobei jeweils ein Leiterende des wenigstens einen ersten elektrischen Leiters an einen jeweiligen der elektrischen Anschlüsse angeschlossen ist, einer zweiten Wicklung mit wenigstens einem zweiten elektrischen Leiter aus einem elektrisch supraleitenden Werkstoff, dessen Leiterenden miteinander elektrisch gekoppelt sind, wobei die erste und die zweite Wicklung zum Herstellen einer magnetischen Kopplung geeignet angeordnet sind, sowie einer Kühlungseinheit, die ausgebildet ist, die zweite Wicklung im bestimmungsgemäßen Betrieb auf eine Temperatur zu kühlen, die kleiner als eine Sprungtemperatur des elektrisch supraleitenden Werkstoffs ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Strombegrenzungseinrichtung zum Begrenzen eines elektrischen Betriebsstroms eines Betriebsstromkreises, bei dem eine erste Wicklung, die wenigstens einen ersten elektrischen Leiter aufweist und an den Betriebsstromkreis angeschlossen ist, mit einem elektrischen Betriebsstrom des Betriebsstromkreises beaufschlagt wird, eine zweite Wicklung mit wenigstens einem zweiten elektrischen Leiter aus einem elektrisch supraleitenden Werkstoff, dessen Leiterenden miteinander elektrisch gekoppelt sind, mit der ersten Wicklung magnetisch gekoppelt wird, sowie die zweite Wicklung im bestimmungsgemäßen Betrieb auf eine Temperatur gekühlt wird, die kleiner als eine Sprungtemperatur des elektrisch supraleitenden Werkstoffs ist. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Strombegrenzungseinrichtung zum Begrenzen eines elektrischen Betriebsstroms eines Betriebsstromkreises, bei dem eine erste Wicklung mit wenigstens einem ersten elektrischen Leiter hergestellt wird, wobei jeweils ein Leiterende des wenigstens einen ersten elektrischen Leiters an einen jeweiligen von zwei elektrischen Anschlüssen zum Anschließen der Strombegrenzungseinrichtung an den Betriebsstromkreis angeschlossen wird, eine zweite Wicklung mit wenigstens einem zweiten elektrischen Leiter aus einem elektrisch supraleitenden Werkstoff hergestellt wird, dessen Leiterenden miteinander elektrisch gekoppelt werden, die erste und die zweite Wicklung zum Herstellen einer magnetischen Kopplung geeignet angeordnet werden, sowie eine Kühlungseinheit angeordnet wird, die ausgebildet ist, die zweite Wicklung im bestimmungsgemäßen Betrieb auf eine Temperatur zu kühlen, die kleiner als eine Sprungtemperatur des elektrisch supraleitenden Werkstoffs ist.
  • Strombegrenzungseinrichtungen der gattungsgemäßen Art, Verfahren zu deren Betrieb sowie auch Verfahren zu deren Herstellung sind im Stand der Technik umfänglich bekannt. Gattungsgemäße Strombegrenzungseinrichtungen, auch kurz supraleitende Strombegrenzer (SFCL) genannt, sind gut untersuchte Einrichtungen, die zur Begrenzung von Betriebsströmen außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs, insbesondere bei einem Überstrom, der größer als ein Bemessungsstrom ist, wie zum Beispiel bei einem Kurzschlussfall in einer elektrischen Mittel- oder Hochspannungsanlage, dienen. Sie können mit unterschiedlichen Konzepten sowohl als überwiegend induktive als auch als überwiegend resistive Strombegrenzungseinrichtungen oder auch aus einer beliebigen Kombination beider Konzepte ausgebildet sein.
  • Resistive Strombegrenzungseinrichtungen sind unmittelbar mit dem Betriebsstromkreis elektrisch verbunden. Eine resistive Strombegrenzungseinrichtung weist in der Regel einen supraleitenden Bandleiter auf, der mit dem Betriebsstrom des Betriebsstromkreises beaufschlagt ist.
  • Bei einer induktiven Strombegrenzungseinrichtung sind zwei unterschiedliche Konzepte im Einsatz, und zwar einerseits mit einem abgeschirmten, ferromagnetischen Material und andrerseits mit einem vormagnetisierten ferromagnetischen Material.
  • Bei einem abgeschirmten ferromagnetischen Material wird mittels einer vom Betriebsstrom durchströmten elektrischen Spule aufgrund einer magnetischen Kopplung in eine supraleitende Wicklung ein Strom induziert. Dadurch wird das ferromagnetische Material abgeschirmt und temporär unwirksam. Im Falle eines Überstroms das ferromagnetische Material wirksam und es tritt eine Änderung der Impedanz ein, die strombegrenzend wirkt. Eine elektrische Spannung, die im Falle eines Eingriffs der Begrenzungseinrichtung an der Strombegrenzungseinrichtung abfällt, kann über ein Windungsverhältnis der ersten und der zweiten Wicklung und über den resistiven Widerstand der supraleitenden Wicklung im nicht supraleitenden Zustand eingestellt werden.
  • Um eine Strombegrenzungseinrichtung in einer Mittel- oder Hochspannungsanlage sinnvoll einsetzen zu können, ist es zweckmäßig, dass die Strombegrenzungseinrichtung einen Überstrom, beispielsweise den Kurzschlussstrom, für eine vorgegebene Zeit, von zum Beispiel wenigen Sekunden, führen kann. Eine wichtige Bedingung für den Einsatz einer gattungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung ist ferner, dass insbesondere im Kurzschlussfall der Strom im Supraleiter schnell unterbrochen wird. Bei einem induktiven Strombegrenzer nach dem Stand der Technik ist eine Unterbrechung des Stroms im Supraleiter nur durch Abschalten des Stroms durch die Drosselspule möglich. Maßgeblich ist hier also das Abschalten des Stroms im Supraleiter. Wenn möglich sollte die strombegrenzende Funktionalität beibehalten werden.
  • Darüber hinaus ist zu beachten, dass ein erwärmter supraleitender Werkstoff zur Herstellung seiner supraleitenden elektrischen Leitfähigkeit gegebenenfalls wieder unter die Sprungtemperatur gekühlt werden muss, damit die supraleitende Stromführung, die im bestimmungsgemäßen Betrieb der Strombegrenzungseinrichtung vorliegt, wenn der Betriebsstrom kleiner als der Vergleichsstrom ist, wieder aufgenommen werden kann. Bei bekannten Konzepten kann für eine entsprechende Kühlung ein Zeitraum von mehreren Sekunden erforderlich sein. Dies gilt für die häufig genutzten vorgenannten Konzepte sowohl für die resistive Strombegrenzungseinrichtung als auch für die induktive Strombegrenzungseinrichtung mit dem abgeschirmten ferromagnetischen Material.
  • Strombegrenzungseinrichtungen werden im Allgemeinen in der Energietechnik, insbesondere der elektrischen Energieversorgung, eingesetzt. In der elektrischen Energietechnik werden derartige Strombegrenzungseinrichtungen unter Verwendung von Drosselspulen nach dem Prinzip des abgeschirmten Eisenkerns (abgeschirmtes, ferromagnetisches Material) oder des gleichstromvormagnetisierten Eisenkerns (vormagnetisiertes ferromagnetisches Material) eingesetzt. Bei diesen Strombegrenzungseinrichtungen erweist es sich als nachteilig, dass die dort verwendeten Eisenkerne ein hohes Volumen und ein hohes Gewicht aufweisen und im Übrigen im bestimmungsgemäßen Betrieb außerhalb der Strombegrenzungsfunktionalität eine vergleichsweise hohe Impedanz bezüglich des Betriebsstromkreises, an dem sie angeschlossen sind, bewirken.
  • Eine gattungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung offenbart zum Beispiel die DE 10 2007 007 087 A1 , die eine Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz offenbart. Durch Einsatz einer supraleitenden Spule im Inneren einer Drosselspule kann die Induktivität und demzufolge auch die Impedanz der Drosselspule reduziert werden. Dies erfolgt dadurch, dass in der supraleitenden Spule durch die Drosselspule ein Strom induziert wird, der ein Magnetfeld der Drosselspule zumindest teilweise kompensiert. Die supraleitende Spule ist mittels eines Kryostaten auf eine Temperatur gekühlt, die kleiner als die Sprungtemperatur des jeweils genutzten supraleitenden Werkstoffs ist. Diese Spule ist kurzgeschlossen.
  • In einem Normalbetrieb außerhalb einer strombegrenzenden Funktionalität kompensiert die supraleitende Spule das Magnetfeld der Drosselspule zumindest teilweise. Dadurch wird die Induktivität der Drosselspule reduziert und ein Spannungsabfall an der Drosselspule entsprechend reduziert. Die Strombegrenzungsfunktionalität wird dadurch realisiert, dass bei einem bestimmten Stromwert des Betriebsstroms, mit dem die Drosselspule beaufschlagt ist und der größer als der Vergleichswert ist, das supraleitende Material der supraleitenden Spule in einen Normalzustand übergeht. Dadurch erhöht sich die Induktivität der Drosselspule insgesamt, sodass dadurch eine Strombegrenzungsfunktionalität der Drosselspule erreicht werden kann. Die Strombegrenzungseinrichtung ist hier also aus einer Drosselspule gebildet, die magnetisch mit der supraleitenden Spule gekoppelt ist. Dadurch braucht die Strombegrenzungseinrichtung dem Grunde nach kein ferromagnetisches Material, insbesondere auch keinen Eisenkern.
  • Um eine Strombegrenzungseinrichtung, insbesondere basierend auf der Funktionalität eines supraleitenden Werkstoffs, nach einer Auslösung der Strombegrenzungsfunktionalität wieder in normalen Betriebszustand zu setzen, ist es beim Stand der Technik erforderlich, die Strombegrenzungseinrichtung zu deaktivieren, beispielsweise indem sie mittels eines separat angeordneten Leistungsschalters freigeschaltet wird oder dergleichen. Bei einer resistiven Strombegrenzungseinrichtung kann dann der Überstrom beziehungsweise Kurzschlussstrom durch eine parallele Drosselspule geführt werden, solange der supraleitende Werkstoff aufgrund der Betätigung des Leistungsschalters freigeschaltet ist. Dies wird auch äußere Abschaltung genannt.
  • Dem Grunde nach ist das vorgenannte Vorgehen auch bei einer induktiven Strombegrenzungseinrichtung einsetzbar, die auf dem Prinzip des abgeschirmten Eisenkerns basiert. Da bei diesem Konzept jedoch die Strombegrenzungswirkung in der Regel geringer als bei einer resistiven Strombegrenzungseinrichtung ist, wird üblicherweise auf eine parallelgeschaltete Drosselspule verzichtet. Bei diesem Konzept ist es jedoch nicht ohne Weiteres möglich, den elektrischen Strom, der die zweite Wicklung durchströmt, zu unterbrechen, weil der elektrische Strom in der zweiten Wicklung allein über eine magnetische Kopplung mit der ersten Wicklung induziert wird. Aus diesem Grund wird deshalb in der Regel auch die erste Wicklung aus dem Betriebsstromkreis abgeschaltet und damit der Betriebsstrom unterbrochen.
  • Aus der DE 10 2016 223 022 A1 ist ferner ein induktiver Strombegrenzer für Gleichstromanwendungen bekannt, der als induktiver supraleitender Strombegrenzer ausgebildet ist, auch englisch als Superconducting Fault Current Limiter (SFCL), und dessen Funktion darauf basiert, ein Magnetfeld einer vom Betriebsstrom durchströmten Drosselspule mittels einer kurzgeschossenen Spule aus einem supraleitenden Material zu kompensieren, um außerhalb der Begrenzungsfunktionalität eine möglichst geringe Induktivität durch die Drosselspule bereitzustellen. Ist der Betriebsstrom durch die Drosselspule allerdings größer als ein vorgegebener Vergleichswert, kann die supraleitende Spule den entsprechenden Spulenstrom nicht mehr supraleitend führen, wodurch die Kompensation des Magnetfelds deutlich reduziert wird. In der Folge steigt die Induktivität der Drosselspule entsprechend stark an.
  • Um nach einem Auslösen diese Strombegrenzungseinrichtung wieder in Betrieb zu setzen, ist es erforderlich, dass der Strom in der supraleitenden Spule entsprechend reduziert wird. Zudem ist zu beachten, dass die supraleitende Spule eventuell aufgrund thermischer Wirkungen während des ausgelösten Zustands zunächst wieder unter die Sprungtemperatur zu kühlen ist.
  • Auch wenn sich diese Realisierungen des Stands der Technik bewährt haben, besteht weiter Verbesserungsbedarf. So hat die resistive Lötverbindung zum Beispiel den Nachteil der begrenzten Wirksamkeit. Die Zeit bis zur Wiederherstellung des normalen Betriebszustands außerhalb des ausgelösten Zustands ist vergleichsweise lang.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reaktivieren der Strombegrenzungseinrichtung nach einem Auslösen aufgrund eines Betriebsstroms, der größer als der Vergleichsstrom ist, zu verbessern.
  • Als Lösung werden mit der Erfindung eine Strombegrenzungseinrichtung, ein Verfahren zum Betreiben der Strombegrenzungseinrichtung sowie auch ein Verfahren zum Herstellen der Strombegrenzungseinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
  • Bezüglich einer gattungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung wird insbesondere vorgeschlagen, dass diese eine Schalteinheit zum elektrischen Koppeln der Leiterenden des wenigstens einen zweiten elektrischen Leiters abhängig von einem Schaltzustand der Schalteinheit aufweist.
  • Bezüglich eines gattungsgemäßen Betriebsverfahrens wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Leiterenden des wenigstens einen zweiten elektrischen Leiters abhängig von einem Schaltzustand einer die Leiterenden koppelnden Schalteinheit elektrisch gekoppelt werden.
  • Bezüglich eines Herstellverfahrens wird insbesondere vorgeschlagen, dass eine Schalteinheit angeordnet wird, mittels der die Leiterenden des wenigstens einen zweiten elektrischen Leiters abhängig von einem Schaltzustand der Schalteinheit elektrisch gekoppelt werden.
  • Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass durch Integration einer Schalteinheit in die Strombegrenzungseinrichtung eine Abschaltbarkeit für einen Stromfluss in der zweiten Wicklung erreicht werden kann, sodass die nachteiligen Auswirkungen, die durch das Auslösen der Strombegrenzungseinrichtung entstehen, schnell und zügig zurückgeführt werden können. Dadurch kann ein bestimmungsgemäßer Betrieb der Strombegrenzungseinrichtung möglichst zeitnah wieder erreicht werden.
  • Die Schalteinheit kann je nach Bedarf ein oder mehrere elektromechanische Schaltelemente sowie gegebenenfalls auch Halbleiterschalter umfassen. Natürlich können auch Kombinationen hiervon vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Schalteinheit unmittelbar im Bereich der zweiten Wicklung angeordnet und kann darüber hinaus auch einstückig mit der zweiten Wicklung ausgebildet sein. Dadurch kann eine kompakte Bauform erreicht werden, sodass die bestimmungsgemäße Funktionalität der Strombegrenzungseinrichtung verbessert werden kann.
  • Der Betriebsstromkreis ist ein Stromkreis, bei dem im bestimmungsgemäßen Betrieb in einem ungestörten Zustand ein vorgegebener Betriebsstrom strömt. Dieser Strom kann vorzugsweise dauerhaft im Betriebsstromkreis geführt werden. Der Betriebsstromkreis kann somit zum Beispiel ein elektrisches Energieversorgungsnetz, insbesondere ein Mittelspannungsnetz oder ein Hochspannungsnetz, sein. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die Anwendung bei Mittelspannung oder Hochspannung begrenzt. Sie kann natürlich auch bei einer Niederspannung zum Einsatz kommen, insbesondere einer Niederspannung gemäß der Richtlinie 2014/35/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 26. Februar 2014 zur Harmonisierung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Bereitstellung elektrischer Betriebsmittel zur Verwendung innerhalb bestimmter Spannungsgrenzen auf dem Markt. Niederspannung meint insbesondere eine Wechselspannung zwischen etwa 50 V und 1000 V beziehungsweise eine Gleichspannung zwischen etwa 75 V und etwa 1500 V. Mittelspannung meint insbesondere eine elektrische Wechselspannung zwischen etwa 1000 V bis etwa 52 kV. Hochspannung meint insbesondere einen Wechselspannung, die größer als etwa 52 kV, insbesondere größer als 60 kV, vorzugsweise größer als 63 kV, ist.
  • Vorzugsweise dient deshalb der Betriebsstromkreis dazu, elektrische Einrichtungen wie zum Beispiel elektrische Verbraucher, elektrische Energieerzeuger und/oder dergleichen zum Zwecke des Austauschens von elektrischer Energie miteinander elektrisch zu koppeln. Der Betriebsstrom ist deshalb ein elektrischer Strom, der dazu dient, die elektrische Energie zwischen den an den Betriebsstromkreis angeschlossenen elektrischen Einrichtungen zu verteilen.
  • Die Strombegrenzungseinrichtung weist vorzugsweise den ersten und den zweiten elektrischen Anschluss zum Anschließen an den Betriebsstromkreis auf. Die Strombegrenzungseinrichtung ist deshalb insbesondere dazu ausgelegt, an den Betriebsstromkreis derart angeschlossen zu werden, dass der Betriebsstrom des Betriebsstromkreises die Strombegrenzungseinrichtung ebenfalls durchströmt. Diesem Zweck dienen der erste und der zweite elektrische Anschluss.
  • Die Strombegrenzungseinrichtung kann deshalb als einzeln handhabbare Baugruppe ein eigenes Gehäuse aufweisen, an dem die beiden elektrischen Anschlüsse angeordnet sind, um einen Anschluss an den Betriebsstromkreis zu ermöglichen. Zu diesem Zweck können entsprechende elektromechanische Verbindungsmittel wie Steck- und/oder Schraubklemmen, Lötverbindungen, Klemmverbindungen und/oder dergleichen vorgesehen sein.
  • Die Strombegrenzungseinrichtung weist die erste Wicklung auf, die wenigstens einen elektrischen Leiter aufweist, wobei jeweils ein Leiterende des wenigstens einen ersten elektrischen Leiters an einen jeweiligen der elektrischen Anschlüsse angeschlossen ist. Sind zwei oder noch mehr erste elektrische Leiter vorgesehen, sind diese vorzugsweise parallel an die Anschlüsse angeschlossen. Die mehreren ersten elektrischen Leiter sind vorzugsweise auch räumlich im Wesentlichen parallel angeordnet. Die erste Wicklung kann somit eine Drosselspule bereitstellen, die in bekannter Weise eine elektrische Induktivität bereitstellt. Die erste Wicklung weist wenigstens eine einzige Windung des wenigstens einen ersten elektrischen Leiters auf. In der Regel sind jedoch mehrere Windungen des wenigstens einen elektrischen Leiters zum Ausbilden der ersten Wicklung vorgesehen.
  • Der erste elektrische Leiter kann ein gewöhnlicher elektrischer Leiter sein, der je nach Bedarf unterschiedlichste Querschnittsformen wie rund, eckig, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen aufweisen kann. Denkbar sind auch Hohlleiter beispielsweise Rohre, zur Kühlung zum Beispiel mittels Wasser. Dies könnte bei diesem Konzept besonders interessant sein, aufgrund der vorteilhaften kompakten Bauweise, insbesondere in Bezug auf eine magnetische Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Wicklung.
  • Der elektrische Leiter kann vorzugsweise eine Isolationsschicht aufweisen, sodass insbesondere bei mehreren benachbart angeordneten Windungen eine elektrische Isolation gegenüber benachbart angeordneten Windungen beziehungswiese weiteren ersten elektrischen Leitern erreicht werden kann. Der wenigstens eine erste elektrische Leiter kann aus einem Werkstoff wie Kupfer, Aluminium, Legierungen hiervon und/oder dergleichen gebildet sein. Ein Leiterquerschnitt des ersten elektrischen Leiters ist vorzugsweise an einen Bemessungsstrom für den Betriebsstromkreis angepasst ausgebildet. Die Leiterenden sind vorzugsweise unmittelbar an den ersten und den zweiten elektrischen Anschluss angeschlossen.
  • Die Strombegrenzungseinrichtung weist ferner die zweite Wicklung mit dem wenigstens einem zweiten elektrischen Leiter aus einem elektrisch supraleitenden Werkstoff auf. Der elektrisch supraleitende Werkstoff kann zum Beispiel YBCO oder dergleichen sein. Aber auch andere geeignete Werkstoffe, die supraleitende Eigenschaften zeigen, können hier eingesetzt werden. Auch Kombinationen hiervon können vorgesehen sein. Der wenigstens eine zweite elektrische Leiter kann ebenso wie der erste elektrische Leiter einen geeigneten Querschnitt aufweisen, um im bestimmungsgemäßen betrieb die gewünschte Stromführung in der zweiten Wicklung realisieren zu können. Auch wenn eine Form des Querschnitts des wenigstens einen zweiten elektrischen Leiters ebenso wie der wenigstens eine erste elektrisch Leiter gewählt sein kann, ist der zweite elektrische Leiter vorzugsweise bandförmig ausgebildet. Die Form der Querschnitte des wenigstens einen ersten und des wenigstens einen zweiten Leiters können etwa gleich und auch abweichend voneinander gewählt sein. Der zweite elektrische Leiter weist ebenfalls Leiterenden auf, die hier jedoch - anders als der wenigstens eine erste elektrische Leiter - elektrisch miteinander gekoppelt sind, sodass die zweite Wicklung im Wesentlichen kurzgeschlossen sein kann.
  • Die erste und die zweite Wicklung sind zum Herstellen einer magnetischen Kopplung zueinander geeignet angeordnet. Dadurch ist es möglich, dass die erste und die zweite Wicklung miteinander magnetisch in Wechselwirkung treten. Wird die erste Wicklung vom Betriebsstrom durchströmt, erzeugt sie ein Magnetfeld, welches in der zweiten Wicklung einen entsprechenden Stromfluss bewirkt. Da die zweite Wicklung durch das Koppeln der Leitungsenden des zweiten elektrischen Leiters im Wesentlichen kurzgeschlossen sein kann, kann hierdurch eine Kompensation des durch die erste Wicklung erzeugten Magnetfeldes erreicht werden. Eine Induktivität der ersten Wicklung kann dadurch reduziert werden.
  • Die Kompensation der Induktivität kann besonders günstig dadurch erreicht werden, dass der supraleitende Werkstoff mittels der Kühlungseinheit auf eine Temperatur gekühlt wird, die kleiner als seine Sprungtemperatur ist. Dadurch ist die zweite Wicklung supraleitend, wenn sie entsprechend kalt ist. Dadurch kann eine große Kompensationswirkung in Bezug auf die Induktivität der ersten Wicklung erreicht werden.
  • Solange der Betriebsstrom kleiner als der Vergleichswert ist, der einem Vergleichsstrom entsprechen kann, kann somit eine nahezu vollständige Kompensation der Induktivität der ersten Wicklung erreicht werden, besonders auch dann, wenn die zweite Wicklung innerhalb der ersten Wicklung angeordnet und/oder ausgerichtet ist.
  • Erreicht oder überschreitet der Betriebsstrom den Vergleichsstrom, steigt der Stromfluss in der zweiten Wicklung derart an, dass der supraleitende Effekt des wenigstens einen zweiten elektrischen Leiters nachlässt oder sogar vollständig verloren geht. Entsprechend steigt infolgedessen die Induktivität der ersten Wicklung an, sodass die Strombegrenzungseinrichtung eine große Induktivität bereitstellt, um die gewünschte Strombegrenzungsfunktion erreichen zu können.
  • Solange also der Betriebsstrom kleiner als der Vergleichsstrom ist, wirkt die Strombegrenzungseinrichtung nahezu kaum auf den Betriebsstromkreis ein. Wird hingegen der Betriebsstrom größer als der Vergleichsstrom, erhöht sich, vorzugsweise nahezu unmittelbar, die Induktivität, sodass die gewünschte Strombegrenzungswirkung bereitgestellt werden kann. Der Vergleichswert, der von Eigenschaften der zweiten Wicklung abhängig ist, bestimmt somit, ab welchem Strom die Strombegrenzungseinrichtung ihre Strombegrenzungsfunktionalität bereitstellt. Dadurch kann der Vergleichswert beziehungsweise der Vergleichsstrom festgelegt werden.
  • Die Kühlungseinheit kann zum Beispiel als integrierter Kryostat oder dergleichen ausgebildet sein. Dem Grunde nach kann die Kühlungseinheit natürlich auch lediglich durch eine geeignete Wärmetauschereinrichtung gebildet sein, die an eine entsprechende Wärmesenke angeschlossen ist. Die Kühlungseinheit ist vorzugsweise mit der zweiten Wicklung, insbesondere dem zweiten elektrischen Leiter, thermisch gut gekoppelt.
  • Um die Strombegrenzungseinrichtung nach einem Auslösen, das heißt, nachdem der Betriebsstrom größer als der Vergleichsstrom war, wieder aktivieren zu können, das heißt, in einen Bereitschaftsmodus beziehungsweise nicht ausgelösten Zustand zu versetzen, ist gemäß der Erfindung die Schalteinheit vorgesehen. Mittels der Schalteinheit können nämlich die Leiterenden des wenigstens einen zweiten elektrischen Leiters abhängig vom Schaltzustand der Schalteinheit voneinander elektrisch getrennt werden. Dadurch kann ein Stromfluss im zweiten elektrischen Leiter unterbrochen werden, sodass der Bereitschaftsmodus der Strombegrenzungseinrichtung nahezu zeitnah wieder hergestellt werden kann. Durch das Trennen braucht der Ausgangszustand nicht sofort wiederhergestellt zu werden. Nach dem Trennen kann eine Rückkühlzeit abzuwarten sein, bevor anschließend die Schalteinheit wieder in den eingeschalteten Schaltzustand geschaltet wird. Dann ist der Ausgangszustand wiederhergestellt.
  • Zu diesem Zweck können ein oder mehrere elektromechanische Schaltelemente sowie auch alternativ oder ergänzend Halbleiterschaltelemente vorgesehen sein. Das Schaltelement beziehungsweise die Schaltelemente können in die zweite Wicklung integriert angeordnet sein. Vorzugsweise ist eine separate Steuereinheit vorgesehen, mittels der die Schalteinheit in gewünschter Weise steuerbar ist. Die Schalteinheit kann vorzugsweise wenigstens zwei Schaltzustände einnehmen, nämlich einen eingeschalteten Schaltzustand sowie einen ausgeschalteten Schaltzustand. Im eingeschalteten Schaltzustand sind die Leiterenden des zweiten elektrischen Leiters unmittelbar miteinander elektrisch verbunden. Im ausgeschalteten Schaltzustand sind die Leiterenden dagegen voneinander elektrisch getrennt, sodass ein Stromfluss im Wesentlichen unterbrochen werden kann.
  • Die Wicklung, und zwar die erste und/oder die zweite Wicklung, ist vorzugsweise aus dem wenigstens einen elektrischen Leiter gebildet, der zumindest eine Windung für diese Wicklung bereitstellt. Natürlich können auch mehrere Leiter vorgesehen sein, die vorzugsweise benachbart zueinander angeordnet sind und die miteinander in Reihe geschaltet und/oder auch parallelgeschaltet sein können. Bei mehreren Windungen kann vorgesehen sein, dass der elektrische Leiter beziehungsweise die elektrischen Leiter elektrisch isoliert gegenüber einander angeordnet sind. Bezüglich der zweiten Wicklung kann ferner vorgesehen sein, dass bei mehreren elektrischen Leitern die jeweiligen elektrischen Leiter mittels der Schalteinheit kurzgeschlossen werden können. Die Schalteinheit kann hierfür entsprechende Schaltelemente vorsehen.
  • Durch das Trennen beziehungsweise Abschalten oder Unterbrechen nur einiger der zweiten elektrischen Leiter kann zudem der Betriebsstrom abgesenkt und dadurch den Anforderungen des Energieversorgungsnetzes angepasst werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Schalteinheit ebenfalls thermisch mit der zweiten Wicklung gekoppelt. Dadurch kann erreicht werden, dass ein Wärmegradient innerhalb der zweiten Wicklung weitgehend vermieden werden kann. Insbesondere im Bereitschaftsmodus kann deshalb ein Aufwand für die Kühlung des zweiten Leiters möglichst gering gehalten werden. Die thermische Kopplung der Schalteinheit kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Schalteinheit einstückig mit der zweiten Wicklung ausgebildet ist.
  • Die Leiterenden des wenigstens einen elektrischen Leiters der zweiten Wicklung sind vorzugsweise gegenüberliegend zueinander angeordnet und die Schalteinheit ist ausgebildet, das elektrische Koppeln der Leitungsenden mittels wenigstens einer Kontaktbrücke herzustellen. Dadurch können die Leiterenden auf einfache Weise miteinander elektrisch gekoppelt werden, ohne dass die Leiterenden mechanisch bewegt oder betätigt werden müssten. Gerade bei supraleitenden Werkstoffen, die häufig mechanisch ungünstige Eigenschaften haben, ist dies vorteilhaft. Dadurch kann eine zuverlässige Schalteinheit bereitgestellt werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Schalteinheit eine Mikroschalteranordnung mit einer Mehrzahl von Mikroschaltern umfasst. Durch die Mikroschalteranordnung ist es möglich, die Schalteinheit auf einfache Weise insbesondere in die zweite Wicklung zu integrieren. Die Mikroschalteranordnung kann nach Art eines Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) gebildet sein. Die Mikroschalter können insbesondere durch elektromechanische Schaltelemente gebildet sein und beispielsweise Abmessungen im Bereich von etwa 10 µm bis etwa 100 µm oder mehr aufweisen. Die Mikroschalter können durch Herstellungsprozesse aus der Halbleitertechnologie, beispielsweise unter Nutzen von Ätzen oder dergleichen, hergestellt werden. Vorzugsweise können die Mikroschalter unmittelbar mit dem wenigstens einen zweiten elektrischen Leiter verbunden, insbesondere auf dem supraleitenden Werkstoff oder dessen Schutzschicht, die vorzugsweise aus Silber der Gold bestehen kann, des wenigstens einen zweiten Leiters aufgebracht sein.
  • Die Nutzung eines solchen Mikroschalters kann den weiteren Vorteil haben, dass dadurch auch insbesondere im Bereitschaftsmodus ein leichter resistiver elektrischer Widerstand geschaffen werden kann, der für das Reduzieren des Stroms in der zweiten Wicklung vorteilhaft genutzt werden kann. Dadurch können separate Einrichtungen beziehungsweise Einheiten, mittels denen die Strombegrenzungseinrichtung wieder in einen Bereitschaftsmodus gebracht werden kann, eingespart werden. Insbesondere braucht in den Anschluss des Betriebsstromkreises nicht eingegriffen zu werden. Dadurch kann insgesamt auch die Zuverlässigkeit verbessert werden.
  • Die Schaltelemente, insbesondere die Mikroschalter, können ausgebildet sein, beispielsweise elektrostatisch, elektromagnetisch, elektrothermomechanisch oder auch piezoelektrisch oder dergleichen betätigt zu werden. Diese Antriebsmechanismen für die Schaltelemente beziehungsweise die Mikroschalter benötigen vorzugsweise keinen unmittelbaren mechanischen Kontakt, um das Schaltelement beziehungsweise den Mikroschalter betätigen zu können. Dies ist insbesondere auch im Hinblick darauf vorteilhaft, dass die Schaltelemente beziehungsweise die Mikroschalter in die zweite Wicklung integriert angeordnet sein können. Da die zweite Wicklung, insbesondere deren zweiter elektrischer Leiter, in der Regel gekühlt werden müssen, kann hierdurch auf einfache Weise eine Steuerung der Schaltelemente beziehungsweise der Mikroschalter auch außerhalb eines gekühlten Bereichs realisiert sein.
  • Vorzugsweise sind die Schaltelemente beziehungsweise die Mikroschalter gegenüber einer magnetischen Einwirkung im Wesentlichen unempfindlich ausgebildet, sodass die Funktionalität auch durch ein etwaiges Magnetfeld der ersten Wicklung weitgehend vermieden werden kann. Zwar könnten die Schaltelemente beziehungsweise die Mikroschalter auch innerhalb der zweiten Wicklung angeordnet sein, wobei sie dann im Bereitschaftsmodus in einem magnetisch abgeschirmten Bereich angeordnet wären, jedoch ist dabei zu bedenken, dass bei Überschreiten des Vergleichsstroms durch den Betriebsstrom die supraleitende Wirkung des Werkstoffs verloren gehen beziehungsweise abgeschwächt werden kann, wodurch eine Abschirmwirkung entsprechend reduziert ist beziehungsweise entfällt und die Schaltelemente beziehungsweise die Mikroschalter dann dem Magnetfeld ausgesetzt wären.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Mikroschalter zumindest teilweise parallelgeschaltet sind. Dadurch besteht die Möglichkeit, standardisierte Mikroschalter einzusetzen und diese je nach Bedarf parallelzuschalten, um einen vorgebbaren Bemessungsstrom im eingeschalteten Schaltzustand führen zu können. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn eine Mehrzahl von standardisierten Mikroschaltern auf einem gemeinsamen Träger angeordnet ist. Dadurch kann auf einfache Weise zugleich auch das Parallelschalten realisiert sein, welches zumindest teilweise auch über den Träger erreicht werden kann.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Mikroschalter zumindest teilweise in Reihe geschaltet sind. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass eine verbesserte Spannungsfestigkeit erreicht werden kann. Da mittels der Mikroschalter in der Regel nur relativ kleine Kriech- und Luftstrecken realisiert werden können, kann es zur Erreichung einer vorgegebenen Spannungsfestigkeit sinnvoll sein, eine geeignete Anzahl von Mikroschaltern in Reihe zu schalten. Dadurch können die Anforderungen hinsichtlich der Kriech- und Luftstrecken besser eingehalten werden. Natürlich kann diese Weiterbildung auch ergänzend ein zumindest teilweises Parallelschalten der Mikroschalter umfassen.
  • Vorzugsweise ist zumindest ein Teil der Mikroschalter auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Dadurch können die Mikroschalter auf einfache Weise unter Nutzung bekannter Herstellungsverfahren aus der Halbleitertechnologie hergestellt werden. Darüber hinaus kann auf diese Weise erreicht werden, dass die Mikroschalter mit im Wesentlichen gleichen elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften ausgebildet werden können, sodass eine zuverlässige Funktion der einzelnen Mikroschalter bei geringen Toleranzen erreicht werden kann. Zugleich kann auf diese Weise ein einfaches Anordnen der Mikroschalteranordnung im Bereich der zweiten Wicklung erreicht werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Mikroschalteranordnung ausgebildet ist, wenigstens einige der Mikroschalter mittels eines gemeinsamen Steuersignals zu steuern. Dadurch kann ein gleichmäßiges Betätigen der einzelnen Mikroschalter erreicht werden. Besonders vorteilhaft erweist sich dies, wenn einige der Mikroschalter parallelgeschaltet oder auch in Reihe geschaltet sind. Insgesamt kann damit ein zuverlässiger Schaltvorgang erreicht werden.
  • Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Mikroschalter einen jeweiligen Schwenkhebel aufweisen, dessen Schwenkzustand mittels eines Antriebselements zumindest abhängig vom Schaltzustand der Schalteinheit einstellbar ist. An dem Schwenkhebel kann ein geeignetes Kontaktelement angeordnet sein, welches in einer jeweiligen Schwenkposition ein gegenüberliegendes Kontaktelement oder auch mehrere Kontaktelemente, welche vorzugsweise ortsfest positioniert sind, kontaktieren kann. Der Schwenkzustand des Schwenkhebels kann mittels des Antriebselements entsprechend eingestellt werden, sodass der gewünschte Schaltzustand der Schalteinheit hergestellt werden kann. Das Antriebselement beziehungsweise die Antriebseinheit kann je nach Antriebsart durch einen Kontakt gebildet sein, der über ein Kraftfeld auf den Schwenkhebel einwirkt, um diesen in die gewünschte Schwenkposition, die dem jeweiligen Schaltzustand entspricht, verschwenken zu können.
  • Vorzugsweise ist jedem Schwenkhebel der Mikroschalter ein eigenes Antriebselement zugeordnet, wobei die Mikroschalteranordnung ausgebildet ist, die Antriebselemente unabhängig voneinander zu steuern. Dadurch ist es möglich, bestimmte Eigenschaften der Mikroschalteranordnung, insbesondere bezüglich der jeweiligen Schaltzustände justieren zu können. So kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass bei parallelgeschalteten Mikroschaltern durch Einwirken einer jeweiligen Kraft des Antriebselements auf den Schwenkhebel die Stromverteilung der Mikroschalter im Parallelbetrieb eingestellt werden kann. Dadurch ist es möglich, dass bei parallelgeschalteten Mikroschaltern die Mikroschalter möglichst mit dem gleichen elektrischen Strom beaufschlagt werden, sodass es nicht zu einer Überlastung einer oder mehrerer einzelner Mikroschalter kommt. Natürlich können diesbezüglich auch entsprechende Federelemente ergänzend vorgesehen sein, mittels denen die Kraft entsprechend geeignet kalibriert werden kann.
  • Vorzugsweise sind jedoch die Antriebselemente unabhängig voneinander steuerbar, sodass bedarfsweise die Stromführung der einzelnen Mikroschalter nahezu individuell variiert werden kann.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Mikroschalter magnetisch unbeeinflussbar ausgebildet sind. Dadurch kann erreicht werden, dass die Funktionalität der Mikroschalter nicht durch ein Magnetfeld der ersten und/oder der zweiten Wicklung beeinflusst wird. Dies kann durch Auswahl von einem oder mehreren geeigneten Werkstoffen für die Mikroschalter erreicht werden, die vorzugsweise nicht ferromagnetisch sind.
  • Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die zweite Wicklung wenigstens zwei voneinander elektrisch getrennt ausgebildete elektrische Leiter umfasst und die Schalteinheit ausgebildet ist, die jeweiligen Leiterenden dieser elektrischen Leiter elektrisch getrennt abhängig vom Schaltzustand der Schalteinheit zu koppeln. Vorzugsweise können die wenigstens zwei zweiten elektrischen Leiter nahezu unabhängig voneinander betrieben werden. Vorzugsweise sind sie elektrisch isoliert gegenüber einander ausgebildet. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Funktionalität der zweiten Wicklung bedarfsgerecht anpassen zu können.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Schalteinheit ausgebildet ist, für die zweiten elektrischen Leiter voneinander unabhängige jeweilige Schaltzustände vorzusehen. Dadurch ist es möglich, die Strombegrenzungseinrichtung nicht nur bei einer Inbetriebnahme, sondern auch während eines bestimmungsgemäßen Betriebs nachträglich noch einstellen zu können. Dadurch kann eine hochflexible Strombegrenzungseinrichtung erreicht werden.
  • Insgesamt kann auch eine günstige Herstellung der Strombegrenzungseinrichtung gemäß der Erfindung erreicht werden. Dabei kann es sich als vorteilhaft erweisen, dass die Herstellung der Mikroschalter zumindest teilweise zum Herstellungsprozess des zweiten elektrischen Leiters aus dem supraleitenden Werkstoff vergleichbar sein kann. Es besteht nämlich dadurch die Möglichkeit, die Mikroschalter unmittelbar, vorzugsweise direkt, auf oder auch in dem supraleitenden zweiten Leiter herzustellen, insbesondere zu integrieren. Besonders vorteilhaft erweist sich dies, wenn der wenigstens eine zweite elektrische Leiter als Bandleiter ausgebildet ist. So ist es möglich, spezielle, kurze supraleitende Bandleiter als zweite elektrische Leiter mit den Mikroschaltern zu bestücken und diese kurzen supraleitenden Bandleiter als Brücke, insbesondere als Lotbrücke, zum Verbinden der Leiterenden des wenigstens einen zweiten elektrischen Leiters zu nutzen.
  • Darüber hinaus kann es sich insbesondere auch als vorteilhaft erweisen, wenn in dem wenigstens einen zweiten elektrischen Leiter, insbesondere in Windungen hiervon, lediglich eine geringe Induktionsspannung vorliegt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der wenigstens eine zweite elektrische Leiter lediglich eine einzelne Windung der zweiten Wicklung bildet. Natürlich können auch mehrere zweite elektrische Leiter vorgesehen sein, die jeweilige weitere einzelne Windungen bilden. Jede dieser Windungen kann mittels einer Mikroschalteranordnung entsprechend schaltbar ausgerüstet sein.
  • Durch die erfindungsgemäße Kombination von einer Schalteinheit, insbesondere einer Mikroschalteranordnung, in Verbindung mit einer Wicklung aus wenigstens einem zweiten elektrischen Leiter aus einem supraleitenden Werkstoff kann einerseits eine gute Dämpfung des Stromes der zweiten Wicklung erreicht werden. Andererseits kann der wenigstens eine zweite elektrische Leiter, nachdem die Strombegrenzungseinrichtung aktiviert worden ist, abgeschaltet werden, ohne dass die erste Wicklung, die nach Art einer Drosselspule in dem Betriebsstromkreis geschaltet ist, von dem Betriebsstromkreis trennen zu müssen. Durch die Schalteinheit, insbesondere die Mikroschalteranordnung, kann eine galvanische Trennung der entsprechenden Leiterenden erreicht werden. Ferner ermöglicht es die Schalteinheit, insbesondere die Mikroschalteranordnung, eine sehr kurze Abschaltzeit, beispielsweise von wenigen Mikrosekunden oder dergleichen, erreichen zu können. Da durch eine geeignete Konstruktion mit vorzugsweise wenigen Windungen auch eine kleine induzierte Spannung erreicht werden kann, können Probleme beim Abschalten der zweiten Wicklung mittels der Schalteinheit Lichtbögen weitgehend vermieden werden.
  • Die für die erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen auch für das Verfahren zu deren Betrieb sowie für das Verfahren zu deren Herstellung und umgekehrt. Infolgedessen können Vorrichtungsmerkmale auch als Verfahrensmerkmale und umgekehrt formuliert sein.
  • Weitere Vorteile und Wirkungen ergeben sich durch die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
  • Es zeigen:
    • FIG 1
    in einer schematischen Draufsicht eine erste Ausgestaltung für eine zweite Wicklung einer Strombegrenzungseinrichtung gemäß der Erfindung,
    FIG 2
    eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausgestaltung für eine zweite Wicklung einer Strombegrenzungseinrichtung gemäß der Erfindung,
    FIG 3
    eine schematische Schaltbilddarstellung für eine Mikroschalteranordnung einer Schalteinheit der Strombegrenzungseinrichtung gemäß der Erfindung,
    FIG 4
    in einer schematischen Schnittdarstellung einen einzelnen Mikroschalter der Mikroschalteranordnung gemäß FIG 3,
    FIG 5
    eine schematische dreidimensionale Schnittdarstellung eines Ausschnitts des Mikroschalters gemäß FIG 4 in einem Kontaktbereich,
    FIG 6
    eine schematische Schnittdarstellung des Mikroschalters gemäß FIG 4 und 5 in einem ausgeschalteten Schaltzustand,
    FIG 7
    eine Darstellung wie FIG 6, wobei der Mikroschalter nunmehr jedoch in einem eingeschalteten Schaltzustand dargestellt ist,
    FIG 8
    eine schematische Darstellung der Strombegrenzungseinrichtung gemäß der Erfindung,
    FIG 9
    eine schematische Seitenansicht der Darstellung gemäß FIG 1, und
    FIG 10
    eine schematische Seitenansicht der Darstellung gemäß FIG 2.
  • FIG 8 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Strombegrenzungseinrichtung 10 zum Begrenzen eines elektrischen Betriebsstroms eines nicht weiter dargestellten Betriebsstromkreises. Die Strombegrenzungseinrichtung 10 weist einen ersten und einen zweiten elektrischen Anschluss 12, 14 zum Anschließen an den Betriebsstromkreis auf. Dies ist in FIG 8 lediglich schematisch dargestellt. Ferner umfasst die Strombegrenzungseinrichtung 10 eine erste Wicklung 16 nach Art einer Drosselspule, die einen ersten elektrischen Leiter 18 aus einer Kupferlegierung aufweist, der mit einer Mehrzahl von Windungen die erste Wicklung 16 bildet. Die erste Wicklung 16 ist nach Art einer Zylinderspule ausgebildet. Leiterenden des ersten elektrischen Leiters 18 sind an einen jeweiligen der elektrischen Anschlüsse 12, 14 angeschlossen. Dadurch kann die erste Wicklung 16 mit dem Betriebsstrom des Betriebsstromkreises beaufschlagt werden.
  • Die Strombegrenzungseinrichtung 10 umfasst ferner eine zweite Wicklung 20 mit einer Mehrzahl von zweiten elektrischen Leitern 22 aus einem elektrisch supraleitenden Werkstoff, vorliegend Magnesiumdiborid. Magnesiumdiborid weist eine Sprungtemperatur von etwa 39 K auf und gilt somit als Hochtemperatursupraleiter, wobei jedoch weitere supraleitende Werkstoffe bekannt sind, die höhere Sprungtemperaturen aufweisen. Es ist jedoch für Magnesiumdiborid festzustellen, dass es im Vergleich insbesondere zu oxidkeramischen Hochtemperatursupraleitern leicht herstellbar ist und dadurch eine hohe Flexibilität bezüglich der Herstellung des zweiten elektrischen Leiters und der zweiten Wicklung erlaubt. Alternativ oder zusätzlich kann der supraleitende Werkstoff auch einen oxidkeramischen Werkstoff als Hochtemperatursupraleiter umfassen. Insbesondere kann es sich hierbei um ein Material des Typs REBa2Cu3Ox handeln. Diese Werkstoffklasse erlaubt vorteilhaft die Ausbildung von elektrischen Leitern mit hohen Sprungtemperaturen, insbesondere in Bezug auf die Sprungtemperatur von Magnesiumdiborid. Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht auf diese Werkstoffe begrenzt. Es können bedarfsweise natürlich auch andere geeignete supraleitende Werkstoffe genutzt werden. So eignet sich zum Beispiel insbesondere auch YBCO (ReBCO) als supraleitendes Material welches alternativ zu Magnesiumdiborid eingesetzt werden kann.
  • Von den in FIG 8 dargestellten zweiten elektrischen Leitern 22 bildet jeder der zweiten elektrischen Leiter 22 eine einzige eigene Windung, wobei die jeweiligen Leiterenden eines jeweiligen der zweiten elektrischen Leiter 22 miteinander elektrisch gekoppelt sind. Dadurch bildet jeder der zweiten elektrischen Leiter 22 eine kurzgeschlossene Windung der zweiten Wicklung 20.Die einzelnen Windungen sind koaxial benachbart zueinander angeordnet, sodass auch hier im Wesentlichen eine Spule nach Art einer Zylinderspule ausgebildet ist.
  • Die erste und die zweite Wicklung 16, 20 sind zum Herstellen einer magnetischen Kopplung geeignet angeordnet. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Wicklung, die jeweils im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sind, derart zueinander angeordnet sind, dass die zweite Wicklung 20 innerhalb eines Innendurchmessers der ersten Wicklung 16 konzentrisch zur ersten Wicklung 16 in Bezug auf eine Achse A angeordnet ist. Die erste und die zweite Wicklung haben vorliegend etwa die gleiche axiale Erstreckung. Dadurch bilden die Windungen der zweiten elektrischen Leiter 22 kurzgeschlossene Einzelwindungen. Die erste und die zweite Wicklung 16, 20 sind somit magnetisch gekoppelt.
  • Ferner ist eine Kühlungseinheit 24 vorgesehen, die einen Behälter aus einem thermisch isolierenden Material und eine im Wesentlichen zylindrische Becherform aufweist, die an einem ersten Ende geschlossen ausgebildet und an einem zweiten Ende mittels einer kreisförmigen Scheibe geschlossen werden kann. Die zweite Wicklung 20 ist innerhalb des Behälters der Kühlungseinheit 24 angeordnet. Der Behälter ist zusammen mit der zweiten Wicklung 20 innerhalb des Innendurchmessers der ersten Wicklung 16 angeordnet.
  • Innerhalb des Behälters ist ferner ein Kühlfluid 38 angeordnet, mittels dem die zweite Wicklung 20 auf eine kleinere Temperatur als die Sprungtemperatur des supraleitenden Werkstoffs der zweiten elektrischen Leiter 22 gekühlt werden kann. Der Behälter der Kühlungseinheit 24 ist aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff gebildet.
  • Aufgrund der Wirkung der magnetisch gekoppelten Wicklungen 16, 20 ist ein Innenraum der zweiten Wicklung 20, der unter anderem durch einen Innendurchmesser der zweiten Wicklung 20 begrenzt ist, im Wesentlichen magnetfeldfrei. In einem unteren Bereich der FIG 8 ist eine schematische Diagrammdarstellung vorgesehen, aus der ein Verlauf einer magnetischen Feldstärke abhängig von einem Radius in Bezug auf die Achse A dargestellt ist. Unterhalb eines vorgegebenen Vergleichsstroms, bei dem die zweite Wicklung 20 einen Strom im supraleitenden Betriebszustand führt, ist eine magnetische Feldstärke H innerhalb der zweiten Wicklung 20 etwa null. In einem Bereich zwischen dem Innenradius und einem Außenradius der zweiten Wicklung 20 nimmt die magnetische Feldstärke H zu bis auf einen maximalen Wert von H1. Dieser Wert der magnetischen Feldstärke bleibt bis zum Innendurchmesser der ersten Wicklung 16 im Wesentlichen konstant. Im weiteren Verlauf radial nach außen nimmt dann die magnetische Feldstärke H in bekannter Weise ab, bis sie einen minimalen Wert erreicht, um sich dann außerhalb der ersten Wicklung 16 mit zunehmenden Radius null zu nähern.
  • Mittels eines Graphen 40 ist der Feldstärkeverlauf der magnetischen Feldstärke abhängig vom radialen Abstand von der Achse A schematisch dargestellt.
  • In dem in FIG 8 dargestellten Zustand befindet sich die Strombegrenzungseinrichtung 10 in einem Bereitschaftsmodus, der solange erhalten bleibt, wie der Betriebsstrom kleiner als der Vergleichsstrom ist. Ist der Vergleichsstrom dagegen größer als der Vergleichswert, verlässt die zweite Wicklung 20, insbesondere deren zweite elektrische Leiter 22, den supraleitenden Zustand und der Feldstärkeverlauf verändert sich dahingehend, dass nunmehr auch innerhalb der zweiten Wicklung 20 ein Magnetfeld auftritt. Durch diesen Effekt erhöht sich entsprechend die Induktivität der ersten Wicklung 16, wodurch die Strombegrenzungseinrichtung 10 eine hohe Impedanz bezüglich des Betriebsstroms bereitstellt. Dadurch kann der Betriebsstrom, wenn er größer als der Vergleichswert ist, begrenzt werden.
  • FIG 1 und FIG 9 zeigen nun eine erste Ausgestaltung für die zweite Wicklung 20 gemäß der Erfindung. In einem oberen Bereich ist eine schematische Draufsicht auf die zweite Wicklung 20 dargestellt. In einem unteren Bereich ist eine zugeordnete schematische Seitenansicht der Wicklung 20 dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Leiterenden der zweiten elektrischen Leiter 22 mit jeweiligen Mikroschalteranordnungen 26 als Schalteinheiten elektrisch verbunden sind. Dadurch kann abhängig von einem jeweiligen Schaltzustand der Mikroschalteranordnung 26 der jeweilige zweite elektrische Leiter 22 entweder kurzgeschlossen oder geöffnet werden. Die zweiten elektrischen Leiter 22 sind vorliegend als Bandleiter ausgebildet und die Mikroschalteranordnungen 26 sind an den jeweiligen Leiterenden befestigt.
  • FIG 2 und FIG 10 zeigen eine alternative Ausgestaltung der zweiten Wicklung 20, bei der die Leiterenden der zweiten elektrischen Leiter 22 nach innen gebogen sind und die Mikroschalteranordnungen 26 an den innenliegenden Leiterenden befestigt sind. Bei dieser Ausgestaltung sind die Mikroschalteranordnungen 26 in einem Bereitschaftsmodus der Strombegrenzungseinrichtung 10, bei der der Betriebsstrom kleiner als der Vergleichsstrom ist, im Wesentlichen vor Magnetfeld geschützt angeordnet. Dies ist auch dann besonders vorteilhaft, wenn andere Schalter als MEMS genutzt werden.
  • FIG 3 zeigt eine schematische Schaltbilddarstellung einer Mikroschalteranordnung 26, wie sie in den vorhergehenden Ausgestaltungen gemäß der FIG 1 und 2 beziehungsweise 9 und 10 zum Einsatz kommen kann. Daraus ist ersichtlich, dass eine Mehrzahl von Mikroschaltern 30, die auf einem gemeinsamen Träger 32 (FIG 4) angeordnet sind, in Reihe geschaltet sind, um im ausgeschalteten Zustand eine vorgegebene Spannungsfestigkeit bereitstellen zu können. Um zugleich auch eine entsprechende Strombelastbarkeit im eingeschalteten Zustand erreichen zu können, sind mehrere der vorgenannten Reihenschaltungen parallelgeschaltet. Durch die Anzahl der in Reihe geschalteten und/oder parallelgeschalteten Mikroschalter 30 kann bedarfsweise ein Bemessungsstrom sowie auch eine Bemessungsspannung eingestellt werden.
  • In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die zweiten elektrischen Leiter 22 bandförmig ausgebildet sind und eine Breite von etwa 12 mm aufweisen. Eine Dicke der bandförmigen zweiten Leiter 22 beträgt etwa 0,15 mm. Durch das besondere Design der zweiten Wicklung 20 kann erreicht werden, dass beim Öffnen der Mikroschalteranordnung 26 lediglich eine Spannung von einigen 10 V anliegt, obwohl die Strombegrenzungseinrichtung 10 in einem Betriebsstromkreis betrieben werden kann, der für eine Bemessungsspannung von etwa 10 kV oder mehr ausgelegt ist. Die Anzahl der parallelgeschalteten Reihenschaltungen von Mikroschaltern 30 kann abhängig vom Bemessungsstrom gewählt sein, der zum Beispiel in einem Bereich von etwa 100 A bis etwa 1 kA oder mehr liegen kann.
  • FIG 4 zeigt nun in einer schematischen Schnittdarstellung einen einzelnen Mikroschalter 30 der Mikroschalteranordnung 26. Zu erkennen ist, dass der Mikroschalter 30 auf einem Substrat 32 beziehungsweise dem Träger angeordnet ist. Auch wenn vorliegend lediglich ein einziger Mikroschalter dargestellt ist, ist in der vorliegenden Ausgestaltung vorgesehen, dass sämtliche der Mikroschalter 30 gemäß FIG 3 auf dem gemeinsamen Substrat 32 angeordnet sind. Vorliegend ist das Substrat 32 aus Glas gebildet. Es kann jedoch auch ein anderes geeignetes Material gewählt sein. Das Substrat 32 ist mittels eines eutektischen Klebers 48 mit einer Siliziumplatte 50 verbunden, wobei die Siliziumplatte 50 und das Substrat 32 mittels bekannter Verfahren entsprechend behandelt werden, um einen Schwenkhebel 34 des jeweiligen der Mikroschalter 30 auszubilden. Der Schwenkhebel 34 ist aufgrund seiner Abmessungen elastisch und kann deshalb zur Realisierung einer Schaltfunktion des Mikroschalters 30 genutzt werden. Der Schwenkhebel 34 ist zu diesem Zweck mit einem ersten Ende 52 fixiert angeordnet, sodass ein zweites Ende 54 in vorgegebener Weise schwenkbar ist.
  • Am zweiten Ende 54 ist eine Kontaktbrücke 28 angeordnet, die mit dem zweiten Ende 54 des Schwenkhebels 34 fest verbunden ist. Die Kontaktbrücke 28 weist ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement 46 auf.
  • Gegenüberliegend zum an der Kontaktbrücke 28 angeordneten Verbindungselement 46 sind elektrische Kontaktelemente 42, 44 an den entsprechenden Leiterenden der zweiten elektrischen Leiter 22 angeordnet. Im eingeschalteten Zustand wird mittels des Verbindungselements 46 der Kontaktbrücke 28 ein elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktelementen 42, 44 hergestellt. Im ausgeschalteten Schaltzustand ist hingegen die Kontaktbrücke 28 mit dem Verbindungselement 46 entfernt von den Kontaktelementen 42, 44 angeordnet, sodass ein Strom durch den jeweiligen der zweiten elektrischen Leiter 22 unterdrückt ist. Zu erkennen ist dies in der perspektivischen Darstellung eines Ausschnitts des Mikroschalters 30 in der schematischen Darstellung gemäß FIG 5.
  • In der vorliegenden Ausgestaltung gemäß der FIG 4 und 5 beträgt ein Kontakthub vorliegend etwa 2 µm bis etwa 3 µm. Eine Länge des Schwenkhebels 34 beträgt vorliegend etwa 200 µm bis etwa 300 µm.
  • Um die gewünschte Schaltfunktion realisieren zu können, ist vorliegend ein elektrostatisches Antriebselement 36 vorgesehen. Das Antriebselement 36 umfasst eine Metallisierung als Elektrode, die mittels eines nicht dargestellten Steuergeräts mit einer vorgegebenen elektrischen Spannung beaufschlagt werden kann. Hierdurch kann eine elektrostatische Kraft auf den Schwenkhebel 34 ausgeübt werden, die abhängig von der am Antriebselement 36 anliegenden Spannung ist, sodass in vorgebbarer Weise die gewünschten Schaltzustände eingestellt werden können.
  • Die FIG 6 und 7 zeigen den Mikroschalter 30 in den zwei voneinander unterschiedlichen Schaltzuständen, wobei FIG 6 den ausgeschalteten Schaltzustand und FIG 7 den eingeschalteten Schaltzustand darstellen. Die weiteren Angaben entsprechen dem, was bereits anhand der FIG 4 und 5 erläutert wurde, weshalb diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
  • Die Mikroschalteranordnung 26 ist vorliegend nach Art von Micro-Electro-Mechanical-Systems realisiert und nutzt Technologien, die bereits zur Bearbeitung von Halbleitermikroelektronik auf Basis von Silizium bekannt ist. Bezüglich der Realisierung der Mikroschalteranordnung 26 wird ferner auf Keimel et al., Micro-Electromechanical-Systems based switches for power applications, IEEE Transactions on industrial applications, 48(4), 1163 bis 1169, Juli 2012, verwiesen.
  • In der vorliegenden Ausgestaltung ist ein Betätigungsmechanismus für die Mikroschalter 30 auf Elektrostatik basierend.
  • Eine Betätigungsspannung kann zum Beispiel in einem Bereich von etwa 35 V bis etwa 80 V liegen. Ein Kontaktwiderstand kann zum Beispiel im eingeschalteten Schaltzustand etwa 1 Ω betragen. Als Kontaktmaterial ist vorliegend Gold vorgesehen, es kann jedoch auch bedarfsweise ein anderer geeigneter Werkstoff genutzt werden. Vorteilhaft kann auch sein, die ortsfesten und die bewegten Kontaktelemente aus unterschiedlichen Werkstoffen zu bilden. Die gegenüberliegenden Kontakte brauchen also nicht notwendigerweise aus dem gleichen Werkstoff sein.
  • In der vorliegenden Ausgestaltung kann der Mikroschalter 30 für eine Bemessungsspannung von etwa 40 V bis etwa 100 V ausgebildet sein. Eine Strombelastung kann in einem Bereich von etwa 0,05 A bis etwa 0,2 A liegen. Eine Größe des Mikroschalters 30 kann etwa 0,0004 cm2 bis etwa 0,001 cm2 betragen. Hierdurch kann eine Stromdichte von etwa 200 bis etwa 250 A/cm2 erreicht werden. Eine Schaltzeit kann in einem Bereich von etwa 1 µs bis etwa 20 µs erreicht werden. In dieser Anordnung ist es möglich, dass etwa 10.000 bis etwa 100.000 Schaltspiele erreicht werden können.
  • Durch eine Kombination der Mikroschalter 30 zur Mikroschalteranordnung 26 gemäß FIG 3 ist es möglich, Bemessungsspannungen in einem Bereich bis zu etwa 1.000 V erreichen zu können. Hierbei kann ein Strom von etwa 630 A erreicht werden. Zu diesem Zweck können etwa 25 Mikroschalter 30 in Reihe und etwa 3.150 solche Reihenschaltungen parallel geschaltet werden. Dadurch kann sich eine Anzahl von Mikroschaltern 30 von etwa 236.250 ergeben.
  • Auch wenn vorliegend die Schalteinheit durch eine Mikroschalteranordnung 26 gebildet ist, kann in alternativen Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass die Schalteinheit auch durch Halbleiterschalter gebildet sein kann, beispielsweise basierend auf Transistoren wie Isolated Gate Bipolar Transistor (IGBT), Feldeffekttransistoren, Thyristoren und/oder dergleichen. Denkbar sind auch handelsübliche mechanische Niederspannungsschalter.
  • Die in den FIG dargestellten Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
  • Insbesondere kann natürlich auch die Anordnung der Wicklungen zueinander bedarfsweise angepasst werden. Auch ein Querschnitt der Wicklungen braucht nicht kreisrund zu sein. Er kann auch elliptisch oder eckig sein. Auch Kombinationen hiervon können vorgesehen sein. Darüber hinaus kann für die Kühlungseinheit 24 vorgesehen sein, dass das Kühlfluid 38 über nicht dargestellte Anschlussleitungen zu einer Kühleinrichtung gefördert wird, um dort auf eine vorgegebene Temperatur gekühlt zu werden. Hierdurch kann ein Kühlkreislauf für die Kühlungseinheit 24 gebildet werden.
  • Denkbar wäre auch eine Drehung des Schwenkarms um seine Längsachse, um den Kontakt zu schließen. Es wäre auch denkbar, dass die Mikroschalter sowohl aktiv, das heißt, ohne Schaltsignal, "Ein" als auch aktiv "Aus" sind. Technisch würde man dies als normally open (NO) und normally closed (NC) bezeichnen.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Strombegrenzungseinrichtung
    12
    Anschluss
    14
    Anschluss
    16
    erste Wicklung
    18
    erster Leiter
    20
    zweite Wicklung
    22
    zweiter Leiter
    24
    Kühlungseinheit
    26
    Mikroschalteranordnung
    28
    Kontaktbrücke
    30
    Mikroschalter
    32
    Substrat
    34
    Schwenkhebel
    36
    Antriebselement
    38
    Kühlfluid
    40
    Graph
    42
    Kontaktelement
    44
    Kontaktelement
    46
    Verbindungselement
    48
    Kleber
    50
    Siliziumplatte
    52
    Ende
    54
    Ende
    A
    Achse

Claims (15)

  1. Strombegrenzungseinrichtung (10) zum Begrenzen eines elektrischen Betriebsstroms eines Betriebsstromkreises mit:
    - einem ersten und einem zweiten elektrischen Anschluss (12, 14) zum Anschließen an den Betriebsstromkreis,
    - einer ersten Wicklung (16), die wenigstens einen ersten elektrischen Leiter (18) aufweist, wobei jeweils ein Leiterende des wenigstens einen ersten elektrischen Leiters (18) an einen jeweiligen der elektrischen Anschlüsse (12, 14) angeschlossen ist,
    - einer zweiten Wicklung (20) mit wenigstens einem zweiten elektrischen Leiter (22) aus einem elektrisch supraleitenden Werkstoff, dessen Leiterenden miteinander elektrisch gekoppelt sind, wobei die erste und die zweite Wicklung (16, 20) zum Herstellen einer magnetischen Kopplung geeignet angeordnet sind, sowie
    - einer Kühlungseinheit (24), die ausgebildet ist, die zweite Wicklung (20) im bestimmungsgemäßen Betrieb auf eine Temperatur zu kühlen, die kleiner als eine Sprungtemperatur des elektrisch supraleitenden Werkstoffs ist,
    gekennzeichnet durch
    eine Schalteinheit (26) zum elektrischen Koppeln der Leiterenden des wenigstens einen zweiten elektrischen Leiters (22) abhängig von einem Schaltzustand der Schalteinheit (26).
  2. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schalteinheit (26) thermisch mit der zweiten Wicklung (20) gekoppelt ist.
  3. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Leiterenden des wenigstens einen zweiten elektrischen Leiters (22) der zweiten Wicklung (20) gegenüberliegend zueinander anordnet sind und die Schalteinheit (26) ausgebildet ist, das elektrische Koppeln der Leitungsenden mittels wenigstens einer Kontaktbrücke (28) herzustellen.
  4. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schalteinheit (26) eine Mikroschalteranordnung mit einer Mehrzahl von Mikroschaltern (30) umfasst.
  5. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Mikroschalter (30) zumindest teilweise parallelgeschaltet sind.
  6. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Mikroschalter (30) zumindest teilweise in Reihe geschaltet sind.
  7. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest ein Teil der Mikroschalter (30) auf einem gemeinsamen Träger (32) angeordnet ist.
  8. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Mikroschalteranordnung ausgebildet ist, wenigstens einige der Mikroschalter (30) mittels eines gemeinsamen Steuersignals zu steuern.
  9. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Mikroschalter (30) einen jeweiligen Schwenkhebel (34) aufweisen, dessen Schwenkzustand mittels eines Antriebselements (36) zumindest abhängig vom Schaltzustand der Schalteinheit (26) einstellbar ist.
  10. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jedem Schwenkhebel der Mikroschalter (30) ein eigenes Antriebselement (36) zugeordnet ist, wobei die Mikroschalteranordnung ausgebildet ist, die Antriebselemente (36) unabhängig voneinander zu steuern.
  11. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Mikroschalter (30) magnetisch unbeeinflussbar ausgebildet sind.
  12. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zweite Wicklung (20) wenigstens zwei voneinander elektrisch getrennt ausgebildete zweite elektrische Leiter (22) umfasst und die Schalteinheit (26) ausgebildet ist, die jeweiligen Leiterenden dieser elektrischen Leiter (22) elektrisch getrennt abhängig vom Schaltzustand der Schalteinheit (26) zu koppeln.
  13. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schalteinheit (26) ausgebildet ist, für die zweiten elektrischen Leiter (22) voneinander unabhängige jeweilige Schaltzustände vorzusehen.
  14. Verfahren zum Betreiben einer Strombegrenzungseinrichtung (10) zum Begrenzen eines elektrischen Betriebsstroms eines Betriebsstromkreises, bei dem:
    - eine erste Wicklung (16), die wenigstens einen ersten elektrischen Leiter (18) aufweist und an den Betriebsstromkreis angeschlossen ist, mit einem elektrischen Betriebsstrom des Betriebsstromkreises beaufschlagt wird,
    - eine zweite Wicklung (20) mit wenigstens einem zweiten elektrischen Leiter (22) aus einem elektrisch supraleitenden Werkstoff, dessen Leiterenden miteinander elektrisch gekoppelt sind, wobei die zweite Wicklung (20) mit der ersten Wicklung (16) magnetisch gekoppelt wird, und
    - die zweite Wicklung (20) im bestimmungsgemäßen Betrieb auf eine Temperatur gekühlt wird, die kleiner als eine Sprungtemperatur des elektrisch supraleitenden Werkstoffs ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Leiterenden des wenigstens einen zweiten elektrischen Leiters (22) abhängig von einem Schaltzustand einer die Leiterenden koppelnden Schalteinheit (26) elektrisch gekoppelt werden.
  15. Verfahren zum Herstellen einer Strombegrenzungseinrichtung (10) zum Begrenzen eines elektrischen Betriebsstroms eines Betriebsstromkreises, bei dem:
    - eine erste Wicklung (16) mit wenigstens einem ersten elektrischen Leiter (18) hergestellt wird, wobei jeweils ein Leiterende des wenigstens einen ersten elektrischen Leiters (18) an einen jeweiligen von zwei elektrischen Anschlüssen (12, 14) zum Anschließen der Strombegrenzungseinrichtung (10) an den Betriebsstromkreis angeschlossen wird,
    - eine zweite Wicklung (20) mit wenigstens einem zweiten elektrischen Leiter (22) aus einem elektrisch supraleitenden Werkstoff hergestellt wird, dessen Leiterenden miteinander elektrisch gekoppelt werden,
    - die erste und die zweite Wicklung (16, 20) zum Herstellen einer magnetischen Kopplung geeignet angeordnet werden, sowie
    - eine Kühlungseinheit (24) angeordnet wird, die ausgebildet ist, die zweite Wicklung (20) im bestimmungsgemäßen Betrieb auf eine Temperatur zu kühlen, die kleiner als eine Sprungtemperatur des elektrisch supraleitenden Werkstoffs ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Schalteinheit (26) angeordnet wird, mittels der die Leiterenden des wenigstens einen zweiten elektrischen Leiters (22) abhängig von einem Schaltzustand der Schalteinheit (26) elektrisch gekoppelt werden.
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Title
CHRIS KEIMEL ET AL: "Microelectromechanical-Systems-Based Switches for Power Applications", 1 July 2012, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, PAGE(S) 1163 - 1169, ISSN: 0093-9994, XP011452384 *
KEIMEL ET AL.: "Micro-Electromechanical-Systems based switches for power applications", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL APPLICATIONS, vol. 48, no. 4, July 2012 (2012-07-01), pages 1163 - 1169

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