SE462357B - Stroembegraensare - Google Patents

Description

2 462 357 att även den normalt omgivande magnetiska flödestätheten är lägre än den kritiska. I det aktuella utförandet ändras resistansen från praktiskt taget noll vid ett supraledande tillstånd till storleksordningen 13 kQ då det supraledande tillståndet upphör. Det andra motståndet är dimensionerat så att dess resistans är väsentligt längre än det supraledande motståndets resistans då detta ej längre är supraledande, i det aktuella fallet är resistansen ca 3,6 Q. Vid normala förhållanden hos nätet hålls det supra- ledande motståndet i ett supraledande tillstånd, dvs dess resistans är noll varvid ström endast flyter genom detta motstånd och inget spännings- fall uppstår över de två parallellkopplade motstånden. Om nu nätströmmen på grund av kortslutning eller annat överstiger ett tillåtet värde mot- svarande det värde man önskar att strömbegränsaren skall träda i funktion, ändras det supraledande motståndet i den beskrivna anordningen genom att ett magnetfält partiellt ändrar den magnetiska flödestätheten kring ledaren varvid en partiell stegring av resistansen erhålles vilket också resulterar i en höjning av temperaturen i motståndet. Detta leder då inom kort till att det supraledande tillståndet upphör och att övervägande delen av strömmen måste passera det parallellkopplade motståndet.

Att enbart använda den kritiska strömtätheten för att få ett supraledande material att övergå från supraledande till icke supraledande tillstånd är beskrivet i OS 2 712 990 "Anordnung zur Überströmbegrenzung in elektrische Energieversorgungsstrecken“. I denna patentskrift redovisas en ström- begränsare i form av en "supraledande kabel" bestående av ledare av ett material som kan bli supraledande och av ledare ("Matrix-bzw Trägemetall) dimensionerat så att den supraledande kabeln utgör ett strömbegränsande element då den parallellkopplade supraledande ledaren ej längre är supra- ledande. Den eller de supraledande ledarna är utformade med vissa områden med areareduktioner (Einschnürungen) varvid den kritiska strömtätheten överskrides då den ström som ledes genom kabel överskrider den ström där strömbegränsaren skall träda i funktion. Ett problem i samband med den redovisade supraledande kabeln som man förbigår i all tysthet är vad som händer med den värmeutveckling som sker inne i kabeln vid övergång från supraledande till normalt ledande tillstånd.

Att strömbegränsare baserade på supraledares två olika tillstånd inte har fått någon nämnvärd spridning beror på flera orsaker. Fram till för några 462 357 år sedan låg den kritiska temperaturen vid mycket låga värden, vilket med- förde kostbara och svårhanterliga kylanordningar med i regel helium som kylmedel. Dels beror också den låga användningen på den komplexitet som till exempel den i Journal of Applied Physics beskrivna utrustningen innebär.

Upptäckten av nya material som blir supraledande vid väsentligt högre tem- peratur, vilket till exempel medger att flytande kväve kan användas som kylmedel, har självfallet också en positiv effekt på befintliga tekniska lösningar.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Upptäckten av nya material och materialkombinationer, bl a keramiska material, som kan bli supraledande vid väsentligt högre temperatur än tidigare kända material, har medfört ett ökat intresse för praktiska applikationer av detta fysikaliska fenomen. Detta gäller även för ström- begränsare som utnyttjar övergången från supraledande till icke supraled- ande tillstànd för att begränsa en icke önskvärd höjning av strömmen t ex i ett kraftnäts ledningssystem vid kortslutning. Uppfinningens tillämpning har dock inget specifikt med den senaste tidens upptäckt av material med högre kritiska temperaturer än tidigare att göra.

En strömbegränsare enligt uppfinningen består av en kontaktanordning som vid normalt tillstånd till allt övervägande del leder den huvudström som skall begränsas till ett tillåtet värde. Parallellt med kontaktanordningen är kopplad en motstånds/induktanskombination bestående av en seriekoppling av ett första och ett andra motstånd. Ett tredje motstånd/induktans är parallellkopplat med de seriekopplade motstånden. Det första motståndet är tillverkat av konventionellt material och det tredje av motstånds/induk- tansmaterial. Det andra motståndet utgöres av ett motstånd med supraled- ande egenskaper. Det supraledande motståndet dimensioneras så att det övergår från supraledande tillstånd till normalledande tillstånd då aktuell ström som skall begränsas är så stor att den kritiska strömtäthe- ten överskrides.

Den till kontaktanordningen parallellkopplade motstånds/induktanskombina- tionen skall dimensioneras så att den ström som i normaltillstånd flyter genom denna är försumbar relativt den ström som kontaktanordningen genom- 462 557 flytes av, eller med andra ord, kontaktanordningens kontakt- och lednings- resistans skall vara försumbar relativt motständs/induktanskombinationens resulterande resistans.

Strömbegränsaren är avsedd att fungera på följande sätt: Huvudströmmen, som skall begränsas, mäts på konventionellt sätt. Med hjälp 'av en diskriminator eller liknande erhålls signal då strömmen överstiger det maximalt tillåtna värdet. Den på detta sätt erhållna signalen användes som startsignal för öppnande av kontaktanordningen. Efterhand som dennas kontakter öppnas kommuteras strömmen över till den parallellkopplade mot- stånds/induktanskombinationen. Eftersom det andra motståndet fortfarande befinner sig i ett supraledande tillstånd kommer motstånds/induktanskom- binationens resistans att bestämmas av en parallellkoppling av det första och det tredje motståndet/induktansen. Eftersom lan önskar att större delen av den kommuterade strömmen skall ledas via det första och andra motståndet skall det första motståndets resistans vara väsentligt lägre än det tredje motståndets/induktansens resistans. Det första motståndets resistans skall också väljas med tanke på att ingen eller endast kortvarig ljusbåge uppträder över kontaktanordningens öppningskontakter.

Efterhand som kommuteringen av huvudströmmen över till motståndslinduk- tanskombinationen fortskrider kommer strömmen genom parallellkombinationen och därmed även strömen genom det supraledande andra motståndet att öka.

Detta motstånd skall geometriskt dimensioneras så att kritisk strömtäthet uppnås vid den önskade strömgränsen hos strömbegränsaren. När den kommu- terade strömmen har uppnått detta värde, övergår det supraledande andra motståndet till normalledande tillstånd. Genom att dimensionera det tredje motståndets/induktansens resistans väsentligt lägre än resistansen hos det normalledande andra motståndet kommer den kommuterade strömmen att i huvudsak flyta genom det tredje motståndet/induktansen.

Under kommuteringsförloppet öppnas kontaktanordningens kontakter så att då det andra motståndets normalledande tillstånd uppträder är avståndet mel- lan öppningskontakterna tillräckligt för att uppnå tillräcklig spännings- hållfasthet. 462 357 Huvudströmmen kommer således nu att begränsas av det tredje motstàndets/ induktansens resistans. En huvudbrytare för aktuell huvudström träder då i funktion och bryter den via det tredje motståndet/induktansen begränsade strömmen inom ett antal perioder.

Som det har framgått krävs för uppfinningens genomförande en kontakt- anordning med mycket goda och snabba egenskaper. En lämplig sådan beskrivs i svenska utläggningsskriften 8604924-4. benämnd "Elektrisk kopplingsappa- rat". Av denna framgår t ex att kontaktanordningen har öppningsegenskaper på ca 4 mm/ms.

Det beskrivna strömbegränsarkonceptet enligt uppfinningen har flera för- delar relativt kända strömbegränsare baserade på supraledande material- egenskaper. De viktigaste fördelarna är bl a att huvudströmmen normalt går genom en mekanisk kontakt, kontaktanordningen, och att den supraledande delen av strömbegränsaren är aktiv under en mycket kort tid, i regel mindre än 5 ms. Detta innebär bl a att strömanslutningarna till supra- ledaren kan ha låg tvärsnittsarea vilket i sin tur minskar förbrukningen av kylmedium, som i regel är kväve, N2. Detta koncept innebär dessutom att strömbegränsaren är återställd och beredd för ny funktion så fort felet är bortkopplat.

RITNINGSFÖRTECKNING Figur 1 visar en föredragen utföringsform av en strömbegränsare enligt uppfinningen.

Figur 2 visar ett alternativt utförande av en strömbegränsare.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Dimensionering av i strömbegränsaren ingående supraledande motstånd med avseende på tvärsnittsarea för att få omslag vid kritisk ström, övriga motstånd, beräkning av utvecklad effekt, temperaturstegring, behov av kylmedel m m beror självfallet på aktuella strömmar som skall begränsas samt på vid konstruktionstillfället tillgängliga material och deras egenskaper och kommer därför ej att redovisas här. Uppfinningen omfattar ju, som det har framgått strömbegränsarens utformning och relationer mellan ingående motstånd för att erhålla önskad funktion. 462 357 En föredragen utföringsform av uppfinningen skall beskrivas med hjälp av figur 1. Strömbegränsaren omfattar en kontaktanordning K. över dennas öppningskontakter är kopplad en motstånds/induktanskombination bestående av en seriekoppling av ett första motstånd R1 och ett andra motstånd R2.

Ett tredje motstånd R3 alternativt en lämplig dimensionerad induktans är parallellkopplat med de seriekopplade motstånden.

Det första och tredje motståndet/induktansen är tillverkat av motstånds/ induktansmaterial. Det andra motståndet utgöres av ett motstånd med supra- ledande egenskaper och befinner sig i en kryostat T, dvs en kryotank där den låga temperaturen som är nödvändig för att få ett supraledande till- stånd kan erhållas.

För att slutligen kunna bryta den begränsade strömmen I användes en brytare B som i regel utgöres av systemets befintliga effektbrytare.

Ett alternativt utförande av en strömbegränsare enligt uppfinningen framgår av figur 2. Anordningen är till större delen lika med den som redovisats enligt figur 1. Den enda skillnaden är att motståndet/induk- tansen R3 som enligt figur 1 är parallellkopplat till de seriekopplade motstånden R1 och R2 är kopplat i parallell med enbart det supraledande motståndet R2. Kraven på relationerna mellan motstånden är i stort sett de samma som för utförandet enligt figur 1. Dvs att kontaktanordningens och dess tilledningars resistans skall vara väsentligt lägre än motstånd Rls och det supraledande motståndet R2s resistans för att huvudströmmen till allt övervägande delen skall ledas via kontaktanordningen K. Det till R2 parallellkopplade motståndet/induktansen R3 skall ha en resistans väsent- ligt lägre än det supraledande motståndets resistans i normalledande till- stånd för att den kommuterade strömmen skall ledas via motstånden R1 och R3.

I ett utförandealternativ enligt figur 2 kan motståndet R2 och motståndet/ induktansen R3 integreras till en enhet såsom beskrivet i svenska patent- ansökan 8802172-O. Detta utförande kräver dock väsentligt större kapacitet hos kryotanken eftersom värmeutvecklingen i motståndet R3 måste kylas bort. Placeras motståndet R3 utanför kryotanken kan dessutom strömbegrän- saren lätt anpassas för olika kraftnät genom att ändra värdet på resistan- sen. Det samma gäller för motståndet R3 enligt figur 1.

Claims (3)

462 357 PATENTKRAV

1. Strömbegränsare omfattande en kontaktanordning (K) med öppningskon- takter, ett första (R1), ett andra (B2) och ett tredje motstånd/induktans (H3) varav det första och det tredje motståndet/induktansen är tillverkat av motständs/induktansmaterial och det andra motståndet är tillverkat av ett material som kan bli supraledande k ä n n e t e c k n a d av att det första och det andra motståndet är seriekopplade och att det tredje motståndet/induktansen är alternativt anordnat parallellkopplat till de seriekopplade första och andra motstånden eller anordnat parallellkopplat till enbart det andra motståndet samt att de bildade motstånds/induktans- kombinationerna är anordnade kopplade till kontaktanordningens öppnings- kontakter.

2. Strömbegränsare enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d av att det andra motståndet som kan växla mellan supraledande och normalledande tillstånd är anordnat så att växlingen sker då den ström som genomflyter motståndet har nått sådan styrka att motståndets kritiska strömtäthet uppnås.

3. Strömbegränsare enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d av att det andra och tredje motståndet/induktansen är anordnat som en integrerad parallellkopplad motståndskombination.