DE19939066A1 - Verfahren und zugehörige Anordnung zum Betrieb eines supraleitenden Strombegrenzers - Google Patents

Abstract

Da Strombegrenzer den Strom nur in der Amplitude begrenzen, muß insbesondere einem supraleitenden Strombegrenzer ein mechanischer Schalter zum schnellstmöglichen Öffnen des Stromkreises nachgeschaltet sein. Gemäß der Erfindung wird die beim Übergang des Supraleiters vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand über den dann vorliegenden Widerstand abfallende Spannung zur Triggerung und/oder Versorgung eines schnellen mechanischen Schalters (5) verwendet. Zu diesem Zweck hat der Schalter (5) wenigstens einen Thomson- oder Wirbelstromantrieb (11, 13, 14).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines supraleitenden Strombegrenzers, wobei durch den Über­ gang eines Supraleiters vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand ein Strom begrenzt und zur Unterbre­ chung des Stromes ein in Reihe geschalteter Schalter ver­ wendet wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Anordnung mit einem supraleitenden Strombegrenzer, einem mechanischen Schalter und einem zugehörigen Antrieb.

Strombegrenzer, beispielsweise ein supraleitender Strom­ begrenzer, schalten einem Strom in einem zu überwachenden Stromkreis nicht ab, sondern begrenzen ihn in seiner Ampli­ tude. Speziell ein supraleitender Strombegrenzer beruht auf dem Wirkprinzip, daß bei Überschreiten der Stromtragfähigkeit der Supraleiter normalleitend wird und dann also einen defi­ nierten Widerstand R aufweist. Damit tritt eine Verlust­ leistung I²R auf, die in Wärme umgesetzt wird.

Supraleitende Strombegrenzer verwenden heute üblicherweise sogenannte HTSC(High Temperature Superconductive Conductors)- Materialien, welche bei Stickstofftemperatur bereits supra­ leitend sind. Da insbesondere Strombegrenzer mit derartigen Materialien nur eine endliche Leistung aufnehmen können, muß nach endlicher Zeit, beispielsweise nach 50 ms, der Strom mit einem in Reihe geschalteten, mechanischen Schalter endgültig unterbrochen werden.

Strombegrenzer nach letzterem Wirkprinzip können um so schwächer und damit kostengünstiger ausgelegt werden, je rascher die Abschaltung durch den nachgeschalteten mecha­ nischen Schalter erfolgt. Dies erfordert also schnelle mechanische Schalter. Zusätzlich muß der Übergang vom supra­ leitenden in den normalleitenden Zustand möglichst rasch erkannt werden und müssen die Schaltstücke des Schalters schnell bewegt oder in Beschleunigung gesetzt werden.

Beim Stand der Technik werden als mit dem Strombegrenzer in Reihe geschaltete Schalter beispielsweise Schaltgeräte mit konventionellen mechanischen Antrieben, z. B. mit Federspei­ chern, eingesetzt. Solche Schaltgeräte sind durch eine hohe Trägheit und durch eine starke Streuung charakterisiert. Typisch sind bei solchen Schaltgeräten bekannterweise Ver­ zögerungen von drei bis zehn Halbwellen des Wechselstromes bis zur Kontakttrennung, wobei Schwankungen von mehreren Millisekunden auftreten können. Damit ist ein vom Umschlagen des Supraleiters ursächlich getriggertes und reproduzierbares Öffnen des Schaltgerätes nicht mehr möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, durch ein geeignetes Verfahren den Betrieb von supraleitenden Strombegrenzern zu verbessern. Hierzu soll die zugehörige Anordnung angegeben werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß die beim Übergang des Supraleiters vom supraleitenden Zustand in den normalleiten­ den Zustand der durch den damit entstehenden Widerstand ent­ stehende Spannungsabfall zur Triggerung und/oder als Betäti­ gungsspannung des Antriebs eines schnellen mechanischen Schalters verwendet wird. Bei der zugehörigen Anordnung ist der mechanische Schalter ein schneller Schalter mit einem Thomson- oder Wirbelstromantrieb, wobei die über den in den normalleitenden Zustand übergegangenen Supraleiter mit end­ lichem Widerstand abfallende Spannung die Antriebs- und/oder Steuerspannung für die Spulen des Thomson- und/oder Wirbel­ stromantriebes bildet.

Mit der Erfindung ist nunmehr ein unmittelbar vom sog. Quenchen des Supraleiters getriggertes und reproduzierbares Öffnen des Schaltgerätes möglich. Durch die Verwendung des an sich bekannten Thomson- oder Wirbelstromantriebes wird ein schneller mechanischer Schalter realisiert. Eine zusätzliche Detektionseinrichtung am Strombegrenzer und ein separates Auslösen des Schalters ist zwar nicht notwendig, kann aber ggf. vorhanden sein. Der Thomson- oder Wirbelstromantrieb kann beispielsweise zur Entklinkung des üblicherweise vor­ handenen Schaltschlosses dienen, den Antrieb der Schaltstücke realisieren und den Kolben einer gegebenenfalls vorhandenen Beblaseinrichtung aktivieren.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs­ beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den übrigen Patentansprüchen. Es zeigen die

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Anordnung zum Be­ trieb eines supraleitenden Strombegrenzers mit einer Triggereinheit,

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Anordnung, bei der insbesondere der Antriebs-Spulenkreis verdeut­ licht ist und

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform mit einem einzigen Antriebsspulenkreis.

Gleichwirkende Elemente haben in den Figuren gleiche Bezugs­ zeichen. Die Figuren, insbesondere Fig. 1 und Fig. 2, wer­ den teilweise gemeinsam beschrieben.

In Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 ist ein supraleitender Strom­ begrenzer mit 1 bezeichnet. Dafür sind in bekannter Weise auf einem Keramiksubstrat insbesondere mäanderförmig Schichten eines HTSC-Materials aufgebracht, wobei die gesamte Anordnung in flüssigem Stickstoff gekühlt wird. In diesem Zustand ist die Anordnung bei normaler Strombelastung supraleitend, d. h. sie weist keinen Widerstand auf, so daß ein Stromverlust frei fließt.

Strombegrenzer schalten den Strom nicht ab, d. h. sie wirken nicht als Schalter, sondern begrenzen den Strom lediglich in seiner Amplitude. Dies bedeutet, daß den Strombegrenzern, beispielsweise des supraleitenden Strombegrenzers 1 gemäß den Fig. 1 bis 3, ein mechanischer Schalter zugeordnet sein muß. Mit dem mechanischen Schalter soll der Stromkreis inner­ halb möglichst kurzer Zeit nach dem Ansprechen des Strom­ begrenzers geöffnet werden. Dies gilt in besonderem Maße für supraleitende Strombegrenzer 1, dem in den Fig. 1 bis 3 ein Schalter 5 zugeordnet ist.

Bekanntermaßen haben supraleitende Materialien eine kritische Stromdichte und damit nur eine begrenzte Stromtragfähigkeit. Überschreitet der fließende Strom einen definierten Wert, schlägt der Supraleiter um, wobei man wegen des praktisch verzögerungsfreien Umschlagens vom Quenchen spricht. Mit dem Quenchen bekommt der Supraleiter einen definierten endlichen Widerstand, was bedeutet, daß über diesen Widerstand eine definierte Spannung abfällt. Diese Spannung wird für die Ansteuerung des Schalters 5 ausgenützt.

Nach dem Umschlagen des Supraleiters im supraleitenden Strom­ begrenzer 1 hat dieser also den Widerstandswert R. Damit ent­ steht aber eine Verlustleistung I²R, die in Wärme umgesetzt wird. Da ein derartiger Strombegrenzer nur eine endliche Leistung aufnehmen kann, muß der Stromkreis möglichst schnell unterbrochen werden. Dazu ist eine möglichst schnelle Betäti­ gung des in Reihe geschalteten mechanischen Schalters 5 not­ wendig.

Zur Bestätigung klassischer mechanischer Schalter ist die Entklinkung eines üblicherweise vorhandenen Schaltschlosses notwendig und die Schaltstücke müssen durch mechanische Betätigung geöffnet werden. Häufig ist auch eine Beblasein­ richtung zum Beblasen der sich öffnenden Kontakte mit einem isolierenden Gas, beispielsweise SF6. Dafür sind in den Fig. 1 und 2 dem Schalter 5 Aktivierungsmittel 10 zugeordnet, die im einzelnen aus einem Thomson-Wirbelstromantrieb 13 zur Entklinkung eines Schaltschlosses 12, ein entsprechender An­ trieb 11 zur Aktivierung der Bewegung von nicht im einzelnen dargestellten Kontaktstücken und 14 ein Thomson-Wirbelstrom­ antrieb zur Aktivierung des Kolbens einer Beblaseinrichtung 15 für die Kontakte dargestellt sind.

In Fig. 1 ist mit 20 eine Triggereinheit für die vorstehend beschriebenen Antriebe bezeichnet. Die Triggereinheit 20 erhält als Eingangssignale das durch den Spannungsabfall am normalleitend gemachten Supraleiter 1 erzeugte Signal. Wei­ terhin ist es an eine Hilfsstromversorgung angeschlossen. Als Ausgangssignale werden Ansteuersignale für die Thomson-Wir­ belstromantriebe 11, 13 und 14 erzeugt. Damit ist also ein unmittelbar vom Quenchen des Supraleiters getriggertes, re­ produzierbares Öffnen des Schaltgerätes 5 erreicht.

In Fig. 2 ist die Anordnung nach Fig. 1 insoweit abgewan­ delt, daß der in den normalleitenden Zustand umgeschlagenen Supraleiter abgegriffene Spannungsabfall direkt die Thomson- Wirbelstromantriebe 11, 13 und 14 ansteuert. In diesem Fall werden die Antriebe nicht nur durch die Signale zeitgleich mit dem Quenchen des Supraleiters aktiviert. Die abfallende Spannung dient vielmehr auch selbst als Spannungsquelle zur Versorgung der bei den Thomson-Antrieben vorhandenen Spulen.

Im Antriebs-Spulenkreis gemäß Fig. 2 sind weiterhin für die einzelnen Spulenzweige jeweils ein Kondensator 21, 31 und 41, ein Halbleiterschalter 22, 32, 42 und eine Funkenstrecke 23, 33, 43 angeordnet. Die Kondensatoren 21, 31, 41 realisieren mit einem zugehörigen Widerstand jeweils einen Hochpaß. Die­ ser Hochpaß weist einen Stromfluß insbesondere beim Beginn der Begrenzung auf, bei dem ein großes dU/dt auftritt. Wäh­ rend der stationären Begrenzungsphase dient der Hochpaß da­ gegen zum Abblocken der Spannung.

Die Halbleiterschalter 22, 32, 42 sind beispielsweise Triacs zur Erzeugung einer zusätzlichen exakt gesteuerten Verzöge­ rung. Schließlich dienen die Funkenstrecken 23, 33 und 43 zur Impulsaufteilung, wofür vorteilhafterweise gasgefüllte Über­ spannungsableiter verwendet werden.

In Fig. 3 ist eine gegenüber Fig. 2 vereinfachte Anordnung dargestellt, bei der nur ein einziger Thomson-/Wirbelstrom­ antrieb 13 vorhanden ist, über den gleichermaßen die Beblas­ einrichtung 15 für den Schalter 5, dessen Antrieb in diesem Fall über eine komprimierbare Feder 18 erfolgt, gesteuert wird. Der Thomson-Wirbelstromantrieb 13 wird durch die Reihenschaltung des Kondensators 2, des Triacs 22 und des Überstromableiters 23 angesteuert.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb eines supraleitenden Strombegren­ zers, wobei durch den Übergang eines Supraleiters vom supra­ leitenden Zustand in den normalleitenden Zustand ein Strom begrenzt und zur Unterbrechung des Stromes ein in Reihe ge­ schalteter Schalter verwendet wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beim Übergang des Supra­ leiters in den normalleitenden Zustand über den dann vor­ liegenden endlichen Widerstand abfallende Spannung zur Trig­ gerung des Antriebs eines mechanischen Schalters und/oder als Betätigungsspannung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beim Beginn der Begrenzungsphase ein hoher Spannungsgradient (dU/dt) auftritt und daß während der stationären Begrenzungsphase des Supraleiters die Spannung im Antriebs-Spulenkreis abgeblockt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulsaufteilung im Antriebsspulenkreis vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß im Antriebs- Spulenkreis eine zusätzliche exakt gesteuerte Verzögerung vorgenommen wird.

5. Anordnung zum Betrieb eines supraleitenden Strombegrenzers mit einem in Reihe geschalteten mechanischen Schalter unter Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der mechanische Schalter ein schneller Schalter (5) mit wenigstens einem Thomson- oder Wirbelstromantrieb (11, 13, 14) ist, wobei die über den in den normalleitenden Zustand übergegangenen Supraleiter (1) mit endlichem Wider­ stand (R) abfallende Spannung die Steuer- und/oder Antriebs­ spannung für die Spulen (11, 13, 14) des Thomson- und/oder Wirbelstromantriebes (10) bildet.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Thomson- oder Wirbel­ stromantrieb (10) alternativ und/oder gleichzeitig für die Entklinkung eines Schaltschlosses (12), den Antrieb von Schaltstücken und die Aktivierung des Kolbens einer Beblas­ einrichtung (15) eingesetzt wird.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß im Spulen­ kreis für den Thomson- oder Wirbelstromantrieb (11, 13, 14) alternativ oder gleichzeitig ein Kondensator (21, 31, 41) zum Abblocken der Spannung während der Begrenzungsphase, eine Funkenstrecke (23, 33, 43) Zur Impulsaufteilung und/oder ein Halbleiterschalter (22, 32, 42) zur Erzeugung einer zusätz­ lichen, exakt gesteuerten Verzögerung vorhanden ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kondensator (21, 31, 41) zum Abblocken der Spannung während der Begrenzungsphase mit dem Widerstand (R) einen Hochpaß bildet.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Funkenstrecke (23, 33, 43) ein gasgefüllter Überspannungsableiter ist.

10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (22, 32, 42) ein Triac ist.