WO2018054614A1 - Induktiver strombegrenzer für gleichstromanwendungen - Google Patents

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WO2018054614A1
WO2018054614A1 PCT/EP2017/070702 EP2017070702W WO2018054614A1 WO 2018054614 A1 WO2018054614 A1 WO 2018054614A1 EP 2017070702 W EP2017070702 W EP 2017070702W WO 2018054614 A1 WO2018054614 A1 WO 2018054614A1
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current
superconducting
primary
coil
inductive
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PCT/EP2017/070702
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Inventor
Hans-Peter KRÄMER
Christian Schacherer
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F2006/001—Constructive details of inductive current limiters

Definitions

  • the present invention relates to an inductive supralei ⁇ Tenden current limiter according to the preamble of the main claim and a corresponding method of operation.
  • DE 10 2010 007 087 AI discloses a device for current limiting with a variable coil impedance.
  • a current limiter comprises a superconducting coil inside a reactor, wherein characterized in Normalbe ⁇ drove the inductance and thus the impedance of the Drosselspu ⁇ le significantly reduced and in the limiting case, the Indukti ⁇ tivity and thus it significantly reduces the impedance of the choke coil ⁇ höht be can. This is done by currents that are induced in the superconducting coil and compensate for the magnetic field of the inductor in normal operation.
  • the current limiter is its compact design, so that it is suitable both for the original equipment of energy networks, as well as for the retrofitting of existing networks.
  • Coil flows and thus, at which primary side current value IA uses the protective function.
  • the object of the invention ⁇ rich at an energy transfer with direct current, especially in the high and Mittelwoodsbe to limit the current rise in short circuit, without affecting the normal operation and the shielding is also defined by a longer operating time. This allows, among other things, to reduce the cost of switching devices significantly, by means of which short-circuits can be selectively separated from betroffe ⁇ nen line parts.
  • the object is achieved by an inductive superconducting current limiter according to the main claim and a corresponding method according to the independent claim.
  • an inductive superconducting current limiter of a primary direct current of a direct current line in particular a high voltage direct current line
  • a primary choke coil electrically connected in series with the direct current line and magnetically coupled to a secondary superconducting coil connected by means of an electric current Short-circuit line is short-circuited, wherein in the electrical shorting line a defined electrical, in particular ohmic resistance R2, to
  • a method for operating an inductive superconducting current limiter wherein, in an initial mode, the primary direct current flowing through the primary choke ⁇ coil from zero to a
  • Is turned rated current value, and the defined electrical ⁇ specific resistance, particularly ohmic resistance R2, to a ⁇ position a fixed time constant ⁇ ( - ⁇ -) acts such that the secondary shielding ⁇ with the time constant from ⁇ sounds and after a period of 4 ⁇ a nominal mode is reached in which practically no current flows in the secondary coil.
  • the adjustable electrical resistance in particular ohmic Wi ⁇ resistor R2
  • the adjustable electrical resistance, in particular ohmic Wi ⁇ resistor R2 by means of respective resistive Kunststoff ⁇ te of individual turns of the secondary superconducting coil to be created.
  • the secondary superconducting coil may consist of several partial coils.
  • Range from about 0.1 second to about 10 seconds.
  • the primary DC power within a defi ned ⁇ range in egg nem nominal mode may fluctuate around a rated current value and the superconducting secondary coil ver ⁇ remain in the superconducting state.
  • the change of the primary DC current may exceed a threshold response current and a threshold current rise rate and switch the superconducting secondary coil from a superconducting state to a normal conductive state.
  • the value of an electrical resistance to be set in particular special ohmic resistor R2, for setting the fixed
  • the primary DC current in the nominal mode, may fluctuate about the rated current value with a maximum allowable current change or a maximum allowable current change rate, and in a limiting mode, the primary DC current may exceed a threshold current value and a threshold rate of rise, and limit the primary inductor ,
  • Figure 1 shows an embodiment of a conventional inductive superconducting current limiter
  • FIG. 1 is another illustration of the conventional inductive superconducting current limiter
  • Figure 3 shows a first embodiment of an inventive erfindungsge ⁇ MAESSEN inductive superconducting current limiter
  • Figure 4 is an equivalent circuit diagram of the first embodiment of an inductive superconducting current limiter according to the invention.
  • Figure 5 is a representation of current-time curves for illustrating the operation of an inventive ⁇ inductive superconducting current limiter.
  • Figure 1 shows an embodiment of a conventional in ⁇ duktiven superconducting current limiter, which is referred to in English as Superconducting Fault Current Limiter and can be abbreviated SFCL.
  • Figure 1 shows schematically an arrangement of a choke coil 1, a cryostat 7, which is filled with liquid nitrogen 9, a cooling device 11 and a high-temperature superconducting (HTS) coil 5.
  • An optional, not shown here magnetic (iron) core can be used inside the HTS coil.
  • the HTS coil 5 is designed in accordance with this conventional embodiment ⁇ form as YBCO band conductor with a, not shown in the figure 1 winding, said winding is filledge ⁇ closed.
  • the HTS coil 5 is also arranged in the Kyrostat 7, wherein a cooling device 11 in which befindli ⁇ chen and the HTS coil 5 surrounding liquid nitrogen 9 cools.
  • An embodiment with contact cooling without immersion in liquid nitrogen is also possible. In this way, the superconducting properties of the HTS coil 5 are generated.
  • FIG. 2 shows schematically another illustration of the conventional inductive superconducting current limiter according to Figure 1.
  • the choke coil 1 is shown here as an electrically connected in series to a DC power line primary Dros ⁇ selspule 1, the magnetically, for example with ⁇ means of an iron core, at a secondary superconducting coil 5 is coupled, which has been short-circuited by means of an electrical short circuit ⁇ 3.
  • the ohmic portion of the primary choke coil 1 is shown with the ohmic resistance R] _.
  • the resistance of the secondary superconducting coil 5 is illustrated in FIG. 2 by means of the representation as a variable resistor R.
  • which acts as a current limiting inductor primary choke coil 1 may advantageously be the slope of a current rise begren ⁇ zen, but is in the normal operation when the current changes an undesirable impedance is.
  • 10 2010 007087 Al reference is made to the abovementioned Einlei ⁇ processing part DE.
  • an inductive superconducting current limiter according to Figure 1 and Figure 2.
  • Ig which
  • Ig A-Ip unless the rated current I ⁇ is exceeded, where A is the turns ratio of the primary choke coil 1 to the secondary superconducting coil 5.
  • Figure 3 shows a first embodiment of an OF INVENTION ⁇ to the invention inductive superconducting current limiter.
  • the representation according to Figure 3, that of Figure 2, wherein in addition to the electrical short-circuit line 3, a defined electrical resistance in the embodiment of an ohmic resistor R2 for setting a fixed time constant ⁇ L / R 2 is electrically connected.
  • LI represents the In ⁇ productivity of the primary choking coil 1.
  • L2 represents the home productivity of the secondary superconducting coil 5.
  • the secondary superconducting coil for the inductive Strombe ⁇ limiter SFCL 5 is not compared to the prior art with a as low as possible
  • the value L essentially corresponds to the primary-side inductance L 1 _, trans ⁇ formed on the secondary side.
  • Figure 4 shows an electrical equivalent circuit diagram to the Dar ⁇ position of the embodiment of the inductive superconducting current limiter according to the invention.
  • the equivalent circuit diagram of the primary choke coil 1 shows its ohmic resistance R] _ and its leakage inductance ⁇ ⁇ 1 and with the superconducting coil 5 whose variable electrical resistance R and their leakage inductance ⁇ ⁇ 2 ⁇
  • the ohmic resistance defined according to the invention R2 electrically connected in series.
  • the entire arrangement of the coils has the main ⁇ inductance Xft.
  • FIG. 5 shows by way of example the effect of FIG
  • the dashed line shows the current profile in a non-limited short-circuit and the solid line the course of the popu ⁇ marginalized current.
  • the current to be disconnected is reduced by approx. 40% by the current increase limiter.
  • a defined electrical resistance R2 is introduced into the secondary circuit.
  • the here ohmic resistor R2 can be effected either by means of a defined bad contact when short-circuiting the secondary superconducting coil 5 or by means of an additional normal conducting element, for example a short copper, brass or steel strip, the
  • the secondary superconducting coil 5 may be formed as a forth ⁇ tional coil having a resistive connection between the two ends. It can also be formed several sub-coils. In extreme cases, each individual turn may be provided with a resistive contact.
  • the secondary superconducting coil 5 is inventively provided with a defined resistance R2, so that a selectable by the design fixed decay time constant ⁇ in
  • the response current 1 ⁇ will be chosen so that it is at least as large as the rated current 1 ⁇ . This ensures that a fast current change from 0 to IN is possible without current increase limit.
  • the primary current Ip in normal mode only slightly fluctuates or only in small
  • Steps AI P changes and then each time remains constant.
  • Rate of current change AI P / t required in nominal mode and in the initial mode of the high voltage DC system.
  • Core of the application is the additional resistance on the Se ⁇ secondary side, which affects several aspects of normal operation and limiting behavior. Below is a further explanation of the behavior of the
  • the limiter will respond if the current is more than one
  • Threshold delta I changes. This threshold value depends on the current increase rate dl / dt:

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  • Power Engineering (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen induktiven supraleitenden Strombegrenzer (SFCL) eines primären Gleichstroms (IP) einer Gleichstromleitung, insbesondere Hochspannungs-Gleichstromleitung, mit einer elektrisch in Reihe zur Gleichstromleitung geschalteten primären Drosselspule (1), die magnetisch an eine sekundäre supraleitende Spule (5) gekoppelt ist, die mittels einer elektrischen Kurzschlussleitung (3) kurzgeschlossen ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in die elektrischen Kurzschlussleitung (3) ein definierter elektrischer Widerstand (R2) zur Einstellung einer festen Zeitkonstante τ (= L/R2) elektrisch geschaltet ist, mit der in einem supraleitenden Normalbetrieb (R=0) unterhalb eines Ansprechstroms (IA) nach einem Ändern des primären Gleichstroms (IP) ein mittels der sekundären Spule (5) erzeugter sekundärer Abschirmstrom (IS) zur Abschirmung der primären Drosselspule (1) abklingt, wobei L die Summe von wirksamen induktiven Anteilen (Xi) der Impedanzen der primären Drosselspule (1) und der sekundären supraleitenden Spule (5) ist.

Description

Beschreibung
Induktiver Strombegrenzer für Gleichstromanwendungen Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven supralei¬ tenden Strombegrenzer gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb.
Künftig werden für die Energieübertragung immer häufiger Hochspannungsgleichstrom-Verbindungen genutzt werden. Wenn diese Verbindungen zu Hochspannungsgleichstrom-Netzen ausgebaut werden, müssen geeignete Schalter zur Verfügung stehen, um bei Kurzschlüssen selektiv die betroffenen Leitungsteile abzutrennen. Der beim Öffnen eines mechanischen Gleichstrom- Schalters entstehende Lichtbogen muss durch technische Ma߬ nahmen, wie beispielsweise Einspeisen eines Gegenstroms zum Erlöschen gebracht werden, da es in Gleichstromnetzen keinen natürlichen Stromnulldurchgang gibt, der den Lichtbogen zum Erlöschen bringt. Der Aufwand für den Schalter und die Maß- nahmen zum Erzeugen eines künstlichen Stromnulldurchgangs steigen sehr stark mit der Größe des abzuschaltenden Stromes und der Stromanstiegsrate an. Daher muss bei einem Kurz- schluss der Gesamtstrom oder die Stromanstiegsrate begrenzt werden, damit zu dem AbschaltZeitpunkt der Strom möglichst klein ist.
Die DE 10 2010 007 087 AI offenbart eine Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz. Ein derartiger Strombegrenzer weist eine supraleitende Spule im Inneren einer Drosselspule auf, wobei dadurch im Normalbe¬ trieb die Induktivität und damit die Impedanz der Drosselspu¬ le signifikant reduziert bzw. im Begrenzungsfall die Indukti¬ vität und damit die Impedanz der Drosselspule signifikant er¬ höht werden können. Dies geschieht durch Ströme, die in der supraleitenden Spule induziert werden und die das Magnetfeld der Drosselspule im Normalbetrieb kompensieren. Beim deutli¬ chen Überschreiten eines bestimmten Stromwertes eines Ansprechstromes IA, z. B. bei einem Kurzschluss, geht der Sup- raleiter in den normalleitenden Zustand über, wodurch sich die Induktivität der Anordnung vergrößert und den Strom be¬ grenzt. Nach dem Abschalten des begrenzten Stroms geht der Supraleiter nach wenigen Sekunden wieder selbstständig in den supraleitenden Zustand zurück und der Normalbetrieb kann wie¬ der aufgenommen werden. Ein besonderer Vorteil des Strombegrenzers ist seine kompakte Bauweise, so dass er sowohl für die Erstausrüstung von Energienetzwerken, als auch für die Nachrüstung bestehender Netzwerke geeignet ist.
Im Idealfall ist während des Normalbetriebs eines supralei¬ tenden induktiven Strombegrenzers der Sekundärstrom Is immer direkt proportional zu dem Primärstrom Ip, wobei der Proportionalitätsfaktor A gleich dem Windungsverhältnis der primä- ren und der sekundären Spule ist: Is = A-Ip.
In der Praxis bewirkt aber vor allem die Tatsache, dass der Betrieb nahe der Ansprechschwelle kleine Wirkverluste im Sup¬ raleiter erzeugt , eine Abweichung des Sekundärstroms Is von seinem Sollwert A-Ip, welche dazu führt, dass nach einer ge¬ wissen Betriebszeit vollkommen unbestimmt ist, welcher Ab¬ schirmstrom Ig gerade noch in der sekundären supraleitenden
Spule fließt und damit, bei welchem primärseitigen Stromwert IA die Schutzfunktion einsetzt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer Energieübertragung mit Gleichstrom, insbesondere im Hoch- und Mittelspannungsbe¬ reich, den Stromanstieg im Kurzschlussfall zu begrenzen, ohne den Normalbetrieb zu beeinträchtigen und den Abschirmstrom auch nach einer längeren Betriebszeit definiert ist. Dies ermöglicht u.a., den Aufwand für die Schaltgeräte deutlich zu reduzieren, mittels denen Kurzschlüsse selektiv von betroffe¬ nen Leitungsteilen abgetrennt werden können. Die Aufgabe wird durch einen induktiven supraleitenden Strombegrenzer gemäß dem Hauptanspruch und ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt wird ein induktiver supraleitender Strombegrenzer eines primären Gleichstroms einer Gleichstromleitung, insbesondere einer Hochspannungs-Gleichstromleitung, vorgeschlagen, mit einer elektrisch in Reihe zur Gleichstrom- leitung geschalteten primären Drosselspule, die magnetisch an eine sekundäre supraleitende Spule gekoppelt ist, die mittels einer elektrischen Kurzschlussleitung kurzgeschlossen ist, wobei in die elektrische Kurzschlussleitung ein definierter elektrischer, insbesondere ohmscher Widerstand R2, zur Ein-
L
Stellung einer festen Zeitkonstante τ(=—) elektrisch geschaltet ist, mit der in einem supraleitenden Normalbetrieb unterhalb eines Ansprechstroms nach einem Ändern des primären Gleichstroms ein in der sekundären Spule erzeugter sekundärer Abschirmstrom zur Abschirmung der primären Drosselspule ab- klingt, wobei L die Summe von wirksamen induktiven Anteilen der Impedanzen der primären Drosselspule und der sekundären supraleitenden Spule ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines induktiven supraleitenden Strombegrenzers vorgeschlagen, wobei in einem Anfangsmodus, der durch die primäre Drossel¬ spule fließende primäre Gleichstrom von Null bis zu einem
Nennstromwert eingeschaltet wird, und der definierte elektri¬ sche Widerstand, insbesondere ohmsche Widerstand R2, zur Ein¬ stellung einer festen Zeitkonstante τ(= -^—) derart wirkt, dass der sekundäre Abschirmstrom mit der Zeitkonstante τ ab¬ klingt und nach einer Zeitdauer von ca. 4τ ein Nennmodus erreicht wird, in dem praktisch kein Strom in der Sekundärspule fließt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann für einen An- fangsmodus mittels des einstellbaren elektrischen, insbesondere ohmschen Widerstands R2, die feste Zeitkonstante τ(= L/
R2 ) eines Abklingens des sekundären Abschirmstromes nach ei- nem Einschalten oder Ansteigen des primären Gleichstroms eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der einstellbare elektrische Widerstand, insbesondere ohmsche Wi¬ derstand R2, ein ausgewählter elektrischer Kontakt oder ein ausgewähltes metallisches Band der elektrischen Kurzschluss¬ leitung sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der einstellbare elektrische Widerstand, insbesondere ohmsche Wi¬ derstand R2, mittels jeweiliger widerstandsbehafteter Kontak¬ te einzelner Windungen der sekundären supraleitenden Spule geschaffen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die sekundäre supraleitende Spule aus mehreren Teilspulen bestehen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die
L .
einzustellende feste Zeitkonstante τ(=—) mit einem Wert im
R2
Bereich von ca. 0,1 Sekunden bis ca. 10 Sekunden eingestellt werden .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in ei- nem Nennmodus der primäre Gleichstrom innerhalb eines defi¬ nierten Bereichs um einen Nennstromwert schwanken und die supraleitende Sekundärspule im supraleitenden Zustand ver¬ bleiben . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in einem Begrenzungsmodus die Änderung des primären Gleichstroms eine Ansprechstromschwelle und eine Ansprechstrom-Ansteigrate überschreiten und die supraleitende Sekundärsule von einem supraleitenden Zustand in einen normal leitenden Zustand schalten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Wert eines einzustellenden elektrischen Widerstandes, insbe- sondere ohmschen Widerstandes R2, zur Einstellung der festen
L
Zeitkonstante τ(=—) einen kritischen Stromwert berücksichti- gen, der insbesondere vom supraleitenden Material, dem Ansprechstrom und/oder vom Wicklungsverhältnis der primären Drosselspule zur supraleitenden Sekundärspule abhängt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in dem Nennmodus der primäre Gleichstrom um den Nennstromwert mit einer maximal zulässigen Stromänderung oder mit einer maximal zulässigen Stromänderungsrate schwanken, und in einem Begrenzungsmodus kann der primäre Gleichstrom einen Ansprechstromwert und eine Ansprechstrom-Anstiegsrate überschreiten und die primäre Drosselspule begrenzend wirken.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen induktiven supraleitenden Strombegrenzers;
Figur 2 eine weitere Darstellung zum herkömmlichen induktiven supraleitenden Strombegrenzer;
Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge¬ mäßen induktiven supraleitenden Strombegrenzers;
Figur 4 ein Ersatzschaltbild zum ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen induktiven supraleitenden Strombegrenzers ;
Figur 5 eine Darstellung von Strom-Zeit-Verläufen zur Veranschaulichung der Wirkungsweise eines erfindungs¬ gemäßen induktiven supraleitenden Strombegrenzers.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen in¬ duktiven supraleitenden Strombegrenzers, der im Englischen als Superconducting Fault Current Limiter bezeichnet wird und mit SFCL abgekürzt werden kann. Figur 1 zeigt schematisch eine Anordnung aus einer Drosselspule 1, einem Kryostat 7, der mit flüssigem Stickstoff 9 gefüllt ist, einem Kühlgerät 11 und einer Hochtemperatur-supraleitenden (HTS-) Spule 5. Ein optionaler, hier nicht eingezeichneter magnetischer (Eisen-) Kern kann im Inneren der HTS-Spule eingesetzt werden.
Die HTS-Spule 5 ist gemäß dieser herkömmlichen Ausführungs¬ form als YBCO-Bandleiter mit einer, in der Figur 1 nicht ge- zeigten Wicklung ausgestaltet, wobei diese Wicklung kurzge¬ schlossen ist. Die HTS-Spule 5 ist außerdem in dem Kyrostat 7 angeordnet, wobei ein Kühlgerät 11 den sich in ihm befindli¬ chen und die HTS-Spule 5 umgebenden flüssigen Stickstoff 9 kühlt. Eine Ausführung mit Kontaktkühlung ohne Eintauchen in flüssigen Stickstoff ist ebenso möglich. Auf diese Weise werden die supraleitenden Eigenschaften der HTS-Spule 5 erzeugt .
Figur 2 zeigt schematisch eine weitere Darstellung des her- kömmlichen induktiven supraleitenden Strombegrenzers gemäß Figur 1. Die Drosselspule 1 ist hier als eine elektrisch in Reihe zu einer Gleichstromleitung geschaltete primäre Dros¬ selspule 1 dargestellt, die magnetisch, beispielsweise mit¬ tels eines Eisenkerns, an eine sekundäre supraleitende Spule 5 gekoppelt ist, die mittels einer elektrischen Kurzschluss¬ leitung 3 kurzgeschlossen worden ist. Der ohmsche Anteil der primären Drosselspule 1 ist mit dem ohmschen Widerstand R]_ dargestellt. Der Widerstand der sekundären supraleitenden Spule 5 ist in Figur 2 mittels der Darstellung als veränder- licher Widerstand R veranschaulicht.
Die als Strombegrenzungsdrossel wirkende primäre Drosselspule 1 kann vorteilhaft die Steilheit eines Stromanstiegs begren¬ zen, stellt aber im Normalbetrieb bei Stromänderungen eine unerwünschte Impedanz dar. Hierzu wird auf die im Einlei¬ tungsteil genannte DE 10 2010 007087 AI Bezug genommen. Dort wird als konkrete Ausführungsform ein induktiver supraleitender Strombegrenzer gemäß Figur 1 und Figur 2 vorgeschlagen. Dabei besteht ein induktiver supraleitender Strombegrenzer SFCL aus einer primären Drosselspule 1, und zwar mit oder ohne magnetischem (Eisen- ) Kern, und einer kurzgeschlossenen supraleitenden Sekundärspule 5, die magnetisch möglichst gut an die primäre Drosselspule 1 angekoppelt ist. In dem Strom¬ bereich bis zu einem Nennstrom 1^ fließen in der sekundären supraleitenden Spule 5 immer Abschirmströme Ig, welche die
Induktivität L des Strombegrenzers SFCL gegenüber der der primären Drosselspule 1 (L]_) drastisch reduzieren. Im Idealfall fließt in der sekundären supraleitenden Spule 5 ebenso nach langer Zeit ein dem Primärstrom Ip proportionaler Strom
Ig=A-Ip, sofern der Nennstrom 1^ nicht überschritten wird, wobei A das Windungsverhältnis der primären Drosselspule 1 zu der sekundären supraleitenden Spule 5 ist.
Figur 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen induktiven supraleitenden Strombegrenzers. Dabei entspricht die Darstellung gemäß Figur 3, die der Figur 2, wobei zusätzlich in die elektrische Kurzschlussleitung 3 ein definierter elektrischer Widerstand in Ausgestaltung eines ohmschen Widerstands R2 zur Einstellung einer festen Zeitkonstante τ = L/R2 elektrisch geschaltet ist. LI stellt die In¬ duktivität der primären Drosselspule 1 dar. L2 stellt die In- duktivität der sekundären supraleitenden Spule 5 dar. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird bei dem induktiven Strombe¬ grenzer SFCL die sekundäre supraleitende Spule 5 nicht im Vergleich zum Stand der Technik mit einem möglichst geringen
Kontaktwiderstand, sondern mit einem definierten ohmschen Wi- derstand R2 kurzgeschlossen. Damit klingt im Normalbetrieb der Abschirmstrom Ig mit einer festen Zeitkonstante τ = L/R2 ab und das System befindet sich bei konstantem Strom im Bereich des Nennstroms 1^ nach kurzem Betrieb, beispielsweise im Bereich von 2 bis 5 τ, in einem definierten Zustand mit vernachlässigbar kleinem Sekundärstrom Ig. Dabei entspricht der Wert L im Wesentlichen der auf die Sekundärseite trans¬ formierten primärseitigen Induktivität L]_. Figur 4 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild zu der Dar¬ stellung des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen induktiven supraleitenden Strombegrenzers. Das Ersatzschaltbild der primären Drosselspule 1 zeigt deren ohmschen Widerstand R]_ und deren Streuinduktivität Χσ1 sowie mit der verwendeten supraleitenden Spule 5 deren veränderlichen elektrischen Widerstand R und deren Streuinduktivität Χσ2 · Zusätzlich ist im Strang der sekundären supraleitenden Spule 5 der erfindungsgemäß definierte ohmsche Widerstand R2 elektrisch in Serie geschaltet. Die gesamte Anordnung der Spulen weist die Haupt¬ induktivität Xft auf.
Figur 5 zeigt beispielhaft den Effekt der
Stromanstiegsbegrenzung bei einem Kurzschluss. Die gestri- chelte Line zeigt den Stromverlauf bei einem nicht begrenzten Kurzschluss und die durchgezogene Linie den Verlauf des be¬ grenzten Stroms. In dem wichtigen Zeitbereich zwischen 10 und 40 ms nach Beginn des Kurzschlusses wird der abzuschaltende Strom durch den Stromanstiegsbegrenzer um ca. 40% reduziert.
Bei dem erfindungsgemäßen induktiven SFCL für Gleichstromanwendungen wird in den Sekundärkreis ein definierter elektrischer Widerstand R2 eingebracht. Der supraleitende Widerstand
R ist unter Normalbedingungen praktisch 0 und wird groß, wenn auf der Sekundärseite der Ansprechstrom IA/A überschritten wird. Der hier ohmsche Widerstand R2 kann entweder mittels eines definiert schlechten Kontaktes beim Kurzschließen der sekundären supraleitenden Spule 5 bewirkt werden oder mittels eines zusätzlichen normal leitenden Elementes, beispielsweise eines kurzen Kupfer-, Messing- oder Stahlbandes, das zum
Kurzschließen der sekundären supraleitenden Spule 5 verwendet wird. Die sekundäre supraleitende Spule 5 kann als eine her¬ kömmliche Spule mit einer widerstandsbehafteten Verbindung zwischen den beiden Enden ausgebildet sein. Es können ebenso mehrere Teilspulen ausgebildet sein. Im Extremfall kann jede einzelne Windung mit einem widerstandsbehafteten Kontakt versehen sein. Die sekundäre supraleitende Spule 5 wird erfindungsgemäß mit einem definierten Widerstand R2 versehen, so dass sich eine durch die Auslegung wählbare feste Abkling-Zeitkonstante τ im
Bereich von beispielsweise 0,1 bis 10 Sekunden ergibt. Damit ist die Zeitabhängigkeit des Abschirmstromes 1 3 bekannt und das Verhalten vorhersagbar. Insbesondere ist jeweils nach we¬ nigen Sekunden Betrieb bei konstantem Primärstrom Ip sichergestellt, dass der Sekundärstrom Ig praktisch 0 ist und die
Stromanstiegsbegrenzung anspricht, wenn sich der Betriebs- ström innerhalb kurzer Zeit um mehr als die zulässige An¬ sprechstromschwelle ΔΙΑ ändert.
In der Regel wird der Ansprechstrom 1^ so gewählt werden, dass er mindestens so groß wie der Nennstrom 1^ ist. Damit ist gewährleistet, dass eine schnelle Stromänderung von 0 auf IN ohne Stromanstiegsbegrenzung möglich ist. Es ist aber denkbar, dass in einem System der Primärstrom Ip im Normalmodus lediglich wenig schwankt oder sich lediglich in kleinen
Schritten AIP ändert und dann jeweils einige Zeit konstant bleibt. In diesem Fall kann der Ansprechstrom 1^ des
Stromanstiegsbegrenzers auf die maximale Stromschwankung ΔΙγηαχ im Normalmodus ausgelegt werden.
Da der Bedarf an Hochtemperatur-supraleitenden Materialien eines Stromanstiegsbegrenzers SFCL direkt proportional zum
Ansprechstrom 1^ ist, würde in diesem Fall der Materialbedarf deutlich kleiner und der Begrenzer kompakter und preisgünstiger sein. Außerdem würde die Stromanstiegsbegrenzung im Fall eines Kurzschlusses deutlich früher ansprechen. Zum Vergleich muss ein resistiver supraleitender Strombegrenzer immer einen Ansprechstrom IN besitzen. Als Voraussetzung für einen reduzierten Ansprechstrom 1^ ist eine definierte, geringe
Stromänderungsschwelle ΔΙΡ und eine definierte, geringe
Stromänderungsrate AIP/t im Nennmodus und im Anfangsmodus der Hochspannungsgleichstrom-Anlage erforderlich. Kern der Anmeldung ist der zusätzliche Widerstand auf der Se¬ kundärseite, der sich auf mehrere Aspekte im Normalbetrieb und im Begrenzungsverhalten auswirkt. Nachfolgend eine weitere Erläuterung des Verhaltens des
Strombegrenzers :
Annahme: Primär- und Sekundär-Spule sind ideal gekoppelt und haben gleiche Windungszahlen und folglich dieselbe Induktivität L .
Der Supraleiter hat einen kritischen Strom Ic, der Widerstand in der Sekundärseite ist R2, damit ist die Zeitkonstante Tau = L / R2.
Es gibt dann eine kritische Stromanstiegsrate (dl/dt) k = R2 x Ic / L.
Wenn sich ausgehend von einem stabilen Zustand (Sekundärstrom = 0) der Strom langsamer als mit (dl/dt) k ändert spricht der Begrenzer nicht an, egal wie groß der Primärstrom wird, da der Strom im Supraleiter immer kleiner als Ic ist.
Wenn sich der Strom schneller als (dl/dt) k ändert, spricht der Begrenzer an, wenn sich der Strom um mehr als einen
Schwellwert delta I ändert. Dieser Schwellwert hängt von der Stromanstiegsrate dl/dt ab:
wenn dl/dt unendlich groß ist (Stufenfunktion), ist delta I = Ic, wenn dl/dt kleiner wird, nimmt delta I zu und bei dl/dt = (dl/dt) k wird delta I unendlich.
Die Begrenzung spricht lediglich an, wenn der Strom schneller als mit (dl/dt) k ansteigt und sich um mehr als delta I än¬ dert, wobei bei sehr schnellen Änderungen delta I = Ic ist und bei kleinerem dl/dt immer größer und bei dl/dt = (dl/dt) k schließlich unendlich wird.
Durch die Wahl von R2 werden die Abklingzeit Tau und die kri¬ tische Stromanstiegsrate bestimmt und durch die Wahl von Ic werden die kritische Stromanstiegsrate (dl/dt) k und der
Schwellwert delta I bestimmt.

Claims

Patentansprüche
1. Induktiver supraleitender Strombegrenzer (SFCL) eines primären Gleichstroms (IP) einer Gleichstromleitung, insbesonde- re Hochspannungs-Gleichstromleitung, mit einer elektrisch in Reihe zur Gleichstromleitung geschalteten primären Drosselspule (1), die magnetisch an eine sekundäre supraleitende Spule (5) gekoppelt ist, die mittels einer elektrischen Kurz¬ schlussleitung (3) kurzgeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass in die elektrische Kurzschluss¬ leitung (3) ein definierter elektrischer Widerstand, insbesondere ohmscher Widerstand (R2) , zur Einstellung einer fes¬ ten Zeitkonstante τ (= L/R2) elektrisch geschaltet ist, mit der in einem supraleitenden Normalbetrieb (R=0) unterhalb ei- nes Ansprechstroms (IA) nach einem Ändern des primären
Gleichstroms (IP) ein mittels der sekundären Spule (5) er¬ zeugter sekundärer Abschirmstrom (Is) zur Abschirmung der primären Drosselspule (1) abklingt, wobei L die Summe von wirksamen induktiven Anteilen ( Xi ) der Impedanzen der primä- ren Drosselspule (1) und der sekundären supraleitenden Spule (5) ist.
2. Induktiver supraleitender Strombegrenzer (SFCL) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass für einen Anfangsmodus mittels des einstellbaren elektrischen Widerstands (R2) die feste Zeitkonstante τ (= L/R2) eines Abklingens des sekundären Ab¬ schirmstroms (Isi; Is2) nach einem Einschalten oder Ansteigen des primären Gleichstroms eingestellt wird.
3. Induktiver supraleitender Strombegrenzer (SFCL) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der einstellbare elektrische Wi¬ derstand, insbesondere ohmsche Widerstand (R2) , ein ausge- wählter elektrischer Kontakt oder ein ausgewähltes metalli¬ sches Band der elektrischen Kurzschlussleitung (3) ist.
4. Induktiver supraleitender Strombegrenzer (SFCL) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der einstellbare elektrische Wi¬ derstand (R2) mittels jeweiliger widerstandsbehafteter Kon- takte einzelner Windungen der sekundären supraleitenden Spule (5) geschaffen ist.
5. Induktiver supraleitender Strombegrenzer (SFCL) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre supraleitende Spu¬ le (5) aus mehreren Teilspulen besteht.
6. Induktiver supraleitender Strombegrenzer (SFCL) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die einzustellende feste Zeit¬ konstante τ (= L/R2) mit einem Wert im Bereich von circa 0,1s bis circa 10s eingestellt wird.
7. Induktiver supraleitender Strombegrenzer (SFCL) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem Nennmodus der primäre Gleichstrom (IP) innerhalb eines definierten Bereichs (ΙΝ+ΔΙ) um einen Nennstromwert (IN) variieren kann und die supralei¬ tende Sekundärspule (5) im supraleitenden Zustand (R=0) ver- bleibt.
8. Induktiver supraleitender Strombegrenzer (SFCL) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem Begrenzungsmodus der primäre Gleichstrom (IP) einen Ansprechstromwert (IA) und ei¬ ne Ansprechstromanstiegsrate (AIA/At) überschreitet und die supraleitende Sekundärspule (5) von einem supraleitenden Zu¬ stand (R=0) in einen normalleitenden Zustand (R>0) schaltet.
9. Induktiver supraleitender Strombegrenzer (SFCL) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des einzustellenden elektrischen Widerstands (R2) zur Einstellung der festen Zeit- konstante τ (= L/R2) einen kritischen Stromwert (Ic) berück¬ sichtigt, der insbesondere vom supraleitenden Material, dem Ansprechstrom (IA) und/oder vom Wicklungsverhältnis der primären Drosselspule (1) zur supraleitenden Sekundärspule (5) abhängt .
10. Verfahren zum Betrieb eines induktiven supraleitenden Strombegrenzers (SFCL) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem Anfangsmodus der durch die primäre Drosselspule (1) fließende primäre Gleichstrom ( I p ) von Null bis zu einem Nennstromwert (IN) eingeschaltet wird,
und der definierte elektrische, insbesondere ohmsche, Wider- stand (R2) zur Einstellung einer festen Zeitkonstante τ (=
L/R2) derart wirkt, dass der sekundäre Abschirmstrom (Is) mit der Zeitkonstante τ abklingt und nach einer Zeitdauer von circa 4 τ ein Nennmodus erreicht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Nennmodus der primäre Gleichstrom (IP) um den Nennstromwert (IN) mit einer maximal zulässigen Stromänderung (ΔΙ) schwankt;
in einem Begrenzungsmodus der primäre Gleichstrom (IP) einen Ansprechstromwert (IA) und eine Ansprechstromanstiegsrate
(AIA/At) überschreitet und die primäre Drosselspule (1) be¬ grenzend wirkt.
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