DE112008002966T5

DE112008002966T5 - Hochspannungs-Sättigungskern-Fehlstrom-Begrenzer

Info

Publication number: DE112008002966T5
Application number: DE112008002966T
Authority: DE
Inventors: Francis Anthony Darmann
Original assignee: Zenergy Power Pty Ltd
Current assignee: Zenergy Power Pty Ltd
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2013-10-10
Also published as: WO2009055853A1; GB201006578D0; CN101842865A; GB2466414B; US20100309590A1; GB2466414A; AU2008318277A1

Abstract

Es ist ein Fehlstrom-Begrenzer zur Verbindung mit einer Mittelspannungs-, Hochspannungs- oder Extrahochspannungs-Trafostation oder einer weiteren Hochspannungsquelle, wie beispielsweise eine Generatorstation, entworfen, wobei der Begrenzer enthält: eine ferromagnetische Schaltung, welche aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet ist und zumindest einen ersten Schenkel, einen zweiten Schenkel und einen dritten Schenkel enthält; eine erste Eingabe-Phase-Spule, welche um den ersten Schenkel gewickelt ist, eine zweite Ausgabe-Phase-Spule, welche um den dritten Schenkel gewickelt ist; einen magnetischen Sättigungsmechanismus, welcher einen Schenkel zur magnetischen Sättigung des ferromagnetischen Materials umgibt; einen Aufnahmebehälter, welcher ein im Wesentlichen gleichförmiges Medium mit geringer elektrischer Leitfähigkeit bereitstellt, welches die ferromagnetische Schaltung, die Phase-Spulen und den Sättigungsmechanismus umgibt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Hochspannungs-Fehlstrom-Begrenzer und offenbart insbesondere einen Hochspannungs-Sättigungskern-Fehlstrom-Begrenzer.
Hintergrund der Erfindung
Sättigungskern-Fehlstrom-Begrenzer (FCLs) sind bekannt. Beispiele von supraleitenden Fehlstrom-Begrenzungsvorrichtungen können entnommen werden aus: US-Patent 7193825 von Darmann et al.; US-Patent 6809910 von Yuan et al.; US-Patent 7193825 von Boenig und US-Patent-Anmeldung Veröffentlichungsnummer 2002/0018327 von Walker et al.
Die beschriebenen Fehlstrom-Begrenzer sind normalerweise lediglich zur Verwendung mit Trockentyp-Kupferspule-Anordnungen geeignet. Tatsächlich sind die beschriebenen Anordnungen möglicherweise lediglich für DC-gesättigte FCLs geeignet, welche Luft als Hauptisoliermedium verwenden. Das heißt, dass das hauptsächliche statische Isoliermedium zwischen den AC-Phase-Spulen in einem Polyphase-FCL und zwischen den AC-Phase-Spulen und dem Stahlkern, der DC-Spule, dem Kryostat und dem Hauptaufbau, durch eine geeignete Distanz in der Luft bereitgestellt ist. Dies begrenzt den FCL im Wesentlichen auf „Trockentyp”-Isolationstechniken. Trockentyp-Technologien beziehen sich normalerweise auf jene Transformator-Aufbautechniken, welche elektrisch isolierte Kupferspulen verwenden, jedoch lediglich normale statische Luft und isolierte feste Isolations-Barrierematerialien als Ausgleich des Isolationsmediums. Im Allgemeinen bildet Luft den Hauptteil des elektrischen Isolationsmaterials zwischen der Hochspannungsseite und den geerdeten Bauteilen von der Vorrichtung, wie beispielsweise der Stahlrahmen und das Gehäuse.
Die Verwendung von einer Trockentyp-Isolation beschränkt den Entwurf auf niedrigere Spannungsbereiche von AC-Leitungsspannungen von bis zu ungefähr 39 kV. Trockentyp-Transformatoren und -Reaktoren sind kommerziell lediglich bis zu Spannungspegeln von ungefähr 39 kV erhältlich. Daraus folgend ist die aktuell vorgestellte Technologie für DC-gesättigte FCLs nicht bis zum Ausmaß von Hochspannungs-Versionen geeignet. Trockentyp-Entwürfe führen zu der Unfähigkeit eines Entwurfs eines kompakten Aufbaus praktischer Größe unter Verwendung von Luft als Isolationsmedium, wenn höhere Spannungen behandelt werden. Einer der praktischsten Märkte für die FCLs ist das Medium auf Hochspannung (33 kV bis 166 kV) und der übermäßig hohe Spannungsbereich (166 kV bis 750 kV). Bei diesen Spannungsbereichen sind die derzeit beschriebene Technik und die Wissenschaftsliteratur von DC-gesättigten FCLs möglicherweise unpraktisch. Der Hauptgrund ist in statischen Spannungs-Entwurfsbetrachtungen zu finden, beispielsweise ein Zusammenbruch des Luftisolationsmediums zwischen den Hochspannungs-Kupferspulen und dem Kryostat oder Stahlkern oder der DC-Spule. Hochspannungs-Phasen-Spulen mittlerer und höherer Spannungen (größer als 39 kV) müssen oftmals in ein Isoliergas (wie beispielsweise SF6, Stickstoff), Vakuum (höher als 10^–3 mbar) oder eine Flüssigkeit, wie beispielsweise synthetisches Silikonöl, Pflanzenöl oder weitere allgemein erhältliche Isolationsöle eingetaucht werden, welche in der mittleren, Hochspannungs- und Superhochspannungs-Transformator- und Reaktortechnologie verwendet werden. Wenn eine Hochspannungsvorrichtung in ein solches Isoliermedium eingetaucht wird, wird dieses Medium oftmals als das „Massenisolationsmedium” oder als „Dielektrikum” bezeichnet. Typischerweise wird das Dielektrikum eine relative dielektrische Leitfähigkeit im Bereich von etwa 2 bis 4 haben, mit Ausnahme eines Vakuums, welches eine relative dielektrische Leitfähigkeit gleich 1 hat. Diese sogenannten dielektrischen Isolationsmedien haben elektrostatische Durchschlagsstärke-Eigenschaften, welche jenen von atmosphärischer Luft weit überlegen sind, wenn sie verständlich verwendet werden, indem die maximale Distanz zwischen festen Isolationsbarrieren begrenzt wird und die gefühlte dielektrische Distanz mit Bezug auf die Durchschlagseigenschaften von dem bestimmten flüssigen oder gasförmigen Dielektrikum optimiert wird.
Die derzeit verfügbaren Massenisolationsgase und Flüssigkeiten haben typischerweise eine Durchschlagsstärke im Bereich von 10 bis 20 kV/nm, werden jedoch typischerweise derart verwendet, dass die mittlere elektrische Feldstärke nicht im Bereich von etwa 6 bis 10 kV/nm übersteigt. Dieser Sicherheitsbereich hinsichtlich des Durchschlagstärkewertes ist nötig, weil, auch wenn die mittlere elektrostatische Feldstärke im Bereich von 6 bis 10 kV/nm ist, die Spitzen-Elektrostatik-Feldstärke entlang einer jeglichen isostatischen elektrischen Feldlinie gleich das Zwei- bis Dreifache des Mittelwertes sein kann, und zwar aufgrund verschiedenartiger elektrostatischer Felderhöhungseffekte.
Im Allgemeinen gibt es fünf hauptsächlich gewünschte Anforderungen hinsichtlich einer dielektrischen Flüssigkeit oder eines Gases für Hochspannungs-Massen-Isolationsanforderungen in Gehäusevorrichtungen, wie beispielsweise Transformatoren und Reaktoren und Fehlstrombegrenzern:
Das Dielektrikum muss eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit aufzeigen,
die dielektrischen Verluste müssen sehr gering sein,
die Flüssigkeit muss dazu in der Lage sein, feste Isolatoren unterzubringen, ohne dass die feste Isolation abnimmt (beispielsweise eine stückweise Isolation auf Spulenwicklungen oder Epoxid),
die elektrische Durchschlagsstärke muss hoch sein, und
das Medium muss dazu in der Lage sein, thermische Energieverluste zu entfernen.
Massivisolationstechniken sind noch nicht allgemein bei mittleren bis hohen Spannungen (das heißt > 39 kV) für Gehäusevorrichtungen, wie beispielsweise Transformatoren, Reaktoren und Fehlstrom-Begrenzer, verfügbar. Der Nachteil von Massivisolationstechniken ist das Vorhandensein von unvermeidbaren Fehlstellen innerhalb der Masse von der Massivisolation oder zwischen Oberflächen von ungleichen Materialien, wie beispielsweise zwischen der Spulenisolation und weiteren Massivisolationsmaterialien. Es ist bekannt, dass Fehlstellen in der Massivisolation mit hohen Spannungen eine hohe elektrische Belastung innerhalb der Fehlstelle aufgrund des Felderhöhungseffektes erzeugen. Dies bewirkt einen physikalischen Durchbruch des umgebenden Materials aufgrund von Teilentladungen und kann eventuell zu einer Nachführung und zu einem vollständigen Geräteversagen führen.
Es wird anerkannt, dass ein DC-gesättigter Fehlstrom-Begrenzer, welcher eine einzelne oder mehrere DC-Spulen zur Sättigung des Stahlkerns verwendet, wie beispielsweise jener, welcher im zuvor erwähnten Stand der Technik offenbart ist, grundsätzliche Probleme verursacht, wenn die Kupfer-AC-Phase-Spulen nicht länger von einem „Trockentyp”-Aufbau sein können, oder wenn das Hauptisolationsmedium von der vollständigen Vorrichtung gleich Luft ist. Ein wesentliches Problem bei solchen Anordnungen ist das Vorhandensein des Stahl-Kryostats zum Kühlen der DC HTS-Spule und die DC HTS-Spule selber. Der Kryostat und die Spule und die Stahlkerne sind mit Bezug auf die AC-Phase-Spulen im Wesentlichen auf einem Erdungspotenzial.
Als eine nebengeordnete Angelegenheit, jedoch jene, welche die Isolationsanforderungen für alle Hochspannungsgeräte und das Equipment erhöht, ist es normalerweise der Fall, dass der grundsätzliche Isolationsentwurf ebenfalls bestimmte elektrische Entwicklungsstandards einhalten muss, welche eine Toleranz hinsichtlich verschiedener Typen von Überspannungen und Blitzimpulsen über vorbestimmte Zeitperioden testen. In Australien sind Beispiele solcher Standards wie folgt:
AS2374 Part 3. Isolationspegel und dielektrische Tests, welche die Leistungsfrequenz-(PF)- und Blitzimpuls-(LI)-Tests des vollständigen Transformators enthalten.
AS2374 Part 3.1. Isolationspegel- und Dielektrik-Tests – externe Freigaben in der Luft.
AS2374 Part 5. Die Fähigkeit, einem Kurzschluss zu widerstehen.
Diese Standards bilden keine ausschließliche Auflistung jener Standards, welche ein Hochspannungs-Elektrik-Equipment einhalten muss. Es wird anerkannt, dass jedes Land seine eigenen Standards hat, welche diese gleichen Entwurfsbereiche abdecken, und eine Bezugnahme auf den Standard eines einzelnen Landes schließt nicht notwendigerweise jegliche weitere Länderstandards aus. Idealerweise ist eine Vorrichtung dazu entworfen, um mehreren Länderstandards zu genügen.
Ein Befolgen dieser Standards führt zu einem BIL (Basic Isolation Level) für die Vorrichtung oder einem „DIL” (Design Isolation Level), welcher für gewöhnlich ein Mehrfaches der grundlegenden AC-Leitungsspannung ist. Beispielsweise kann ein 66-kV-Transformator mittlerer Spannung oder ein weiteres Gehäusegerät, wie beispielsweise ein FCL, einen BIL von 220 kV haben. Die Anforderung, diesen Standard einzuhalten, führt zu einem Massivspannungsentwurf, welcher genauer zur praktischen Einhaltung ist, als lediglich in der Hinsicht auf die AC-Leitungsspannung. Die anwendbaren Standards und diese Anforderung rühren von der Tatsache her, dass eine praktische elektrische Installation temporäre Überspannungen ertragen muss, als ein Gerät und Vorrichtungen innerhalb eines komplexen Netzwerkes erfahren können, beispielsweise Blitz-Überspannungen und Umschaltbelastungen. Somit hat das gesamte Equipment auf einem elektrischen Netzwerk einen BIL oder DIL, welcher für die erwarteten Übergangsspannungen eines zu erwartenden ungünstigsten Falles geeignet ist.
Eine anfängliche Betrachtung des statischen Entwurfsproblems für Hochspannungs-DC-gesättigte Fehlstrom-Begrenzer kann zu dem Ergebnis führen, dass das Problem einfach gelöst wird, indem lediglich die Hochspannungs-AC-Kupferspulen in einem geeigneten elektrischen Isoliergas oder Flüssigkeit untergebracht werden. Jedoch ist das Problem hinsichtlich dieser Technik darin zu sehen, dass der Stahlkern durch den Behälter durchführt werden muss, welcher das Gas oder die Flüssigkeit enthält. Ein Entwurf dieser Schnittstelle für einen lang andauernden Dienst ist mechanisch schwierig zu lösen. Viel wichtiger ist jedoch, dass ein elektrostatisches Lösen dieses Schnittstellenproblems viel komplexer ist und jegliche Lösung fehlerempfänglich ist oder sich als unökonomisch erweist. Das Problem liegt darin, dass eine Dichtung zwischen dem Behälter, welcher das dielektrische Fluid enthält, und dem Kern hoher Permeanz entwickelt werden muss.
Eine weitere Möglichkeit liegt in der Verwendung von festen Hochspannungsbarrieren zwischen Phasen und zwischen Phasen und dem Stahlkern und Kryostaten oder einer Schicht von einer Hochspannungsisolation um die Kupferphasespulen und im festen Kontakt mit den Phasen-Spulen. Dies hat jedoch einen wesentlich nachteilhaften Nebeneffekt. Es ist bekannt, dass das statische elektrische Feld in Kombination mit Luft und weiteren Materialien mit einer höheren relativen dielektrischen Leitfähigkeit jenes ist, welches stets zu einem erhöhten elektrischen Feld in dem Material oder dem Fluid mit der geringeren dielektrischen Leitfähigkeit (welches Luft ist) führt. Beispielsweise wird ein leitfähiger Kupferzylinder mit einer Schicht einer normalen Isolation, zur Darstellung der schichtweisen Isolation, gemäß Gleichung 1 betrachtet.
wobei gilt:

U_m: = AC-Phase-Spannung mit Bezug auf Masse
R: = Radius eines Kupferzylinders, welcher eine Außenisolation enthält [mm]
r: = Radius eines freiliegenden Kupferzylinders [mm]
d: = Distanz vom Mittelpunkt des Zylinders zur nächsten Erdungsebene [mm]
ε₂: = relative dielektrische Konstante der Isolation, welche den Zylinder bedeckt
ε₁: = relative dielektrische Konstante der Massivisolation, in welche der Zylinder eingetaucht ist (= 1 für Luft)
x: = Distanz vom Mittelpunkt des Zylinders zu einem Punkt außerhalb des Zylinders [mm]
E_x: = elektrostatischer Feldgradient am Punkt x [kV/mm]

Der Felderhöhungseffekt ist durch den Faktor ε₂/ε₁ dargestellt und ist für allgemeine alltägliche Materialien im Bereich von 2 bis 4, mit Ausnahme jenes Falles, bei welchem ein Vakuum verwendet wird, welches eine relative dielektrische Leitfähigkeit gleich 1 hat. Somit wird durch die Bereitstellung eines zusätzlichen Feststoffes oder eines weiteren Isolationsmaterials (von einer höheren elektrischen dielektrischen Leitfähigkeit als Luft) die elektrostatische Belastung in der Massivluftisolation des FCL erhöht. Je höher die Qualität der Hochspannungsisolation ist, desto höher ist der Felderhöhungseffekt.
Somit sind feste dielektrische Isolationsbarrieren in einem ansonsten luftisolierten FCL keine technisch gewünschte Option für Hochspannungs-FCLs bei mehr als 39 kV, und tatsächlich wird diese Technik nicht dazu verwendet, um Hochspannungs-Trockentyp-Transformatoren bei beispielsweise mehr als 39 kV zu erstellen. Tatsächlich gibt es derzeit keine gut geeigneten Techniken, wobei dies der Grund dafür ist, dass Hochspannungs-Transformatoren von mehr als 39 kV mit einer dielektrischen Flüssigkeit oder Gas isoliert werden.
Die obige Diskussion ist der Grund dafür, warum ein eingehäustes Hochspannungs-Elektrik-Equipment oftmals vollständig in elektrisch isolierendes dielektrisches Fluid oder Gas eingetaucht wird. Das heißt, dass die isolierten Kupferspulen und der Stahlkern von Transformatoren und Reaktoren innerhalb eines Behälters eingehäust werden, welcher dann vollständig mit einem dielektrischen Medium, welches ein Fluid ist, gefüllt wird. Dies reduziert wesentlich die Probleme hinsichtlich des elektrostatischen Spannungsentwurfs, wie detailliert in der obigen Beschreibung erläutert. Das Isolationsmedium (beispielsweise Öl, Vakuum oder SF6) füllt sämtliche Fehlstellen und Massendistanzen zwischen den Hochspannungs-Bauteilen und jenen Bauteilen, welche im Wesentlichen auf Massepotenzial oder Neutralpotenzial sind. In diesem Fall können Massivisolationsbarrieren in das Massenisolations-Dielektrikum einbezogen werden, und bei vielen Flüssigkeiten, wie beispielsweise Öl, erhöht ein Unterteilen der hohen Distanzen mit einer Massenisolation die Qualität der gesamten elektrostatischen Isolation, indem die Durchschlags-Feldstärke des dielektrischen Fluides erhöht wird. Der Grund dafür ist, dass die relative dielektrische Leitfähigkeit des Öls und der Massivisolation zueinander sehr nahe sind (so dass die Felderhöhungseffekte, verglichen mit Luft, verringert werden) und weil die Durchschlagsspannung des Massiv-Dielektrik-Mediums (ausgedrückt in kV/nm) bei geringeren Distanzen zwischen den Isolationsbarrieren erhöht wird.
Das Problem hinsichtlich der Technik des vollständigen Eintauchens liegt jedoch darin, dass sie nicht einfach auf DC-gesättigte FCL-Entwürfe oder weitere Geräte adaptierbar ist, welche eine Supraleitungsspule als das DC-gesättigte Element enthalten. Der Grund dafür liegt darin, dass die supraleitende Spule und ihr Kryostat oder Vakuumbehälter ein Bauteil des FCL sind, welches ebenfalls notwendigerweise in das dielektrische Fluid eingetaucht werden muss.
Umriss der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Aufbau eines Hochspannungs-Fehlstrom-Begrenzers bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Fehlstrom-Begrenzer bereitgestellt, welcher zur Verbindung in einer Mittelspannungs-, Hochspannungs- oder Extrahochspannungs-Trafostation oder einer weiteren Hochspannungsquelle, wie beispielsweise eine Generatorstation, entworfen ist, wobei der Begrenzer enthält: eine ferromagnetische Schaltung, welche aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet ist und zumindest einen ersten Schenkel, einen zweiten Schenkel und einen dritten Schenkel enthält; eine erste Eingabe-Phase-Spule, welche um den ersten Schenkel gewickelt ist, eine zweite Ausgabe-Phase-Spule, welche um den dritten Schenkel gewickelt ist; einen Sättigungsmechanismus, welcher einen Schenkel zur magnetischen Sättigung des ferromagnetischen Materials umgibt; einen Aufnahmebehälter, welcher ein im Wesentlichen gleichförmiges Medium mit geringer elektrischer Leitfähigkeit bereitstellt, welches die ferromagnetische Schaltung, die Phase-Spulen und den Sättigungsmechanismus umgibt.
Das Medium kann ein Vakuum von weniger als 10^–3 mbar enthalten. Alternativ kann das Medium ein dielektrisches Medium enthalten, wie beispielsweise SF6, Stickstoffgas, synthetisches Silikonöl oder Pflanzenöl. Das Medium kann ebenfalls eine kryogene Flüssigkeit oder Gas enthalten. Der Sättigungsmechanismus kann vorzugsweise eine supraleitende DC-Spule enthalten. Die supraleitende DC-Spule kann auf einer Basis eines Materials mit geringer thermischer Leitfähigkeit gelagert sein. Der Sättigungsmechanismus kann vorzugsweise eine supraleitende Spule enthalten, welche in einem Kryostat positioniert ist. Der Kryostat kann vorzugsweise eine externe thermische Isolationsbedeckung enthalten. Der Sättigungsmechanismus kann vorzugsweise eine mechanische Halterung enthalten, welche aus einem Material einer geringeren thermischen Leitfähigkeit ausgebildet ist.
Die Phasen-Spulen sind vorzugsweise aus einer Kupferwicklung ausgebildet, welche, in Relation zu standardisierten Phasen-Spulen zum Überführen eines erwarteten Stroms, einen vergrößerten Leiterquerschnitt hat. Das ferromagnetische Material kann einen laminierten Stahlkern enthalten.
Die Gleichstromspule kann eine supraleitende Spule enthalten, und der Begrenzer kann ferner vorzugsweise ein eingeschlossenes supraleitendes Kühlelement enthalten, welches die supraleitende Spule umgibt. Die Phase-Spulen sind vorzugsweise supraleitende Spulen. Der Begrenzer kann vorzugsweise drei Phasen auf separaten ferromagnetischen Schaltungen enthalten. Die Quellenspannung kann 37 kV übersteigen.
Die supraleitende DC-Spule kann durch eine Spule umgeben sein, welche ein kryogenes Fluid oder Gas enthält. Das kryogene Fluid oder Gas kann von einer externen Quelle an den Begrenzer zugeführt sein. Es gibt vorzugsweise redundante Zufuhrquellen für das Fluid oder Gas.
Gemäß einem weiteren Aspekt von der vorliegenden Erfindung ist ein Fehlstrom-Begrenzer bereitgestellt, welcher dazu entworfen ist, eine Hochspannungsquelle zu bedienen, wobei der Begrenzer enthält: eine ferromagnetische Schaltung, welche aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet ist und zumindest einen ersten Schenkel, einen zweiten Schenkel und einen dritten Schenkel enthält; eine erste Eingabe-Phase-Spule, welche um den ersten Schenkel gewickelt ist, eine zweite Ausgabe-Phase-Spule, welche um den dritten Schenkel gewickelt ist; eine Gleichstrom-Spule, welche um den zweiten Schenkel gewickelt ist, um die ferromagnetische Schaltung während einer normalen Verwendung zu sättigen; einen Vakuumbehälter, welcher die ferromagnetische Schaltung umgibt und die Schaltung im Vakuum beibehält.
Die Gleichstromspule kann eine supraleitende Spule enthalten, und der Begrenzer kann ferner vorzugsweise ein eingeschlossenes supraleitendes Kühlelement enthalten, welches die supraleitende Spule umgibt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung lediglich mittels Beispiel mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben, in welcher:
1 eine seitliche Schnittansicht in Perspektivdarstellung von einer anfänglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für ein 3-Phasen-System darstellt;
2 eine seitliche Schnittansicht in Perspektivdarstellung von einer alternativen Ausführungsform von der vorliegenden Erfindung darstellt;
2a eine vergrößerte Schnittansicht von der DC-Spule von 2 darstellt;
3 eine seitliche Schnittansicht in Perspektivdarstellung von einer weiteren alternativen Ausführungsform von der bevorzugten Ausführungsform darstellt;
3a eine vergrößerte Schnittansicht von der DC-Spule von 3 darstellt;
4 eine seitliche Schnittansicht in Perspektivdarstellung von einer weiteren alternativen Ausführungsform von der bevorzugten Ausführungsform darstellt;
5 eine seitliche Schnittansicht in Perspektivdarstellung von einer weiteren alternativen Ausführungsform von der bevorzugten Ausführungsform darstellt;
6 eine seitliche Schnittansicht in Perspektivdarstellung von einer weiteren alternativen Ausführungsform von der bevorzugten Ausführungsform darstellt;
7 eine seitliche Schnittansicht in Perspektivdarstellung von einer weiteren alternativen Ausführungsform von der bevorzugten Ausführungsform darstellt; und
8 eine simulierte Schaltungsantwort darstellt, wenn ein FCL verwendet wird, und wenn einer nicht verwendet wird.
Beschreibung von bevorzugten und weiteren Ausführungsformen
In den bevorzugten Ausführungsformen ist ein Hochspannungs-DC-gesättigter FCL bereitgestellt, welcher im Wesentlichen nicht die oben beschriebenen Massenisolationsprobleme erleidet.
Entwurf 1. Hochspannungs-DC-gesättigter FCL mit einer trockenen kryogekühlten DC-Spule
In einer ersten Ausführungsform ist ein Hochspannungs-DC-gesättigter FCL mit einer trockenen kryogekühlten DC-Spule bereitgestellt. Es werden drei alternative Ausführungsformen beschrieben.
1. Vollvakuum-Isolier-Entwurf mit einer trockenen kryogekühlten Hochtemperatur-DC-Spule
Es wird nun eine erste Ausführungsform beschrieben. Es wird anerkannt, dass viele spezifische mögliche unterschiedliche Aufbauten von dieser Ausführungsform technisch möglich sind. Beispielsweise kann eine Einzel-Phasen-Version auf eine analoge Art und Weise aufgebaut werden. Zusätzlich können mehrere Einzelphasen-Versionen, welche im Wesentlichen den gleichen Entwurf und Aufbau haben, Seite an Seite platziert werden, um eine 3-Phasen-Vorrichtung auszubilden.
Anfänglich wird 1 beschrieben, bei welcher eine erste Ausführungsform 1 von einem DC-gesättigten Fehlstrom-Begrenzer dargestellt ist. Der FCL1 enthält einen einzelnen Vakuumbehälter 2, in welchem der vollständig DC-gesättigte FCL (welcher einen Entwurf hat, welcher ähnlich jenem ist, wie im US-Patent 7193825 beschrieben) platziert ist. Idealerweise braucht die Größe des Vakuumpegels nicht so hoch zu sein, bei welchem das Phänomen einer Glühentladung auftritt (zwischen 0,1 und 1 Millibar), und muss in jenem Bereich sein, dass die dielektrische Durchschlagsstärke des Vakuums besser als jene von atmosphärischer Luft ist. Andererseits wird kein Vorteil hinsichtlich des elektrostatischen Entwurfs erlangt. Somit wird ein Vakuumpegel im Hauptbehältergehäuse von mehr als 0,001 Millibar, wie durch die Paschenkurve angezeigt [Paschen, Wied., Annalen der Physik, 1889, vol. 37: Seiten 69–75] für einen wesentlichen Gewinn im praktischen elektrostatischen Entwurf idealerweise erlangt.
Der dargestellte FCL enthält eine Mehrfachphasen-Anordnung, wobei jede Phase einen laminierten Stahlkern, beispielsweise 3, enthält, welcher dazu wirkt, um den Magnetfluss zu konzentrieren, wie zuvor beschrieben. Um jeden Kern ist eine Kupfer-AC-Phase-Spule, beispielsweise 4, gewickelt, welche auf einem Spulenformer 5 gewickelt sein kann. Jede Phase des FCL hat eine Eingabe-Phase-Spule, beispielsweise 4, welche mit einem Stromleiter, beispielsweise 8, verbunden ist, welcher wiederum mit einer HV AC-Strom-Buchse und einer Vakuum-Durchführung, beispielsweise 10, verbunden ist, zusätzlich zu einer Ausgabe-Phase-Spule, beispielsweise 7, welche mit einem Ausgabe-Stromleiter 12 und einer HV AC-Strom-Buchse und einer Vakuum-Durchführung 13 verbunden ist.
Die herkömmlichen AC-Phase-Spulen aus Kupfer oder Aluminium, beispielsweise 4, 7, können Spulen sein, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sind, welches mit einem Isolationsmaterial isoliert ist oder unisoliert verbleibt.
Jeder der laminierten Stahlkerne, beispielsweise 3, hat eine im Allgemeinen rechteckige Form und ist um eine DC-supraleitende Spule 15 angeordnet, welche dazu wirkt, um die FCL-Stahlkerne während eines normalen Betriebes zu sättigen (wie im US-Patent 7193825 detaillierter beschrieben). Obwohl der Kern 15 resistiv sein kann, ist der Kern 15 vorzugsweise eine supraleitende DC-Spule. Die Phasen-Spulen sind auf eine solche Art und Weise verbunden, um einen DC-gesättigten Fehlstrom-Begrenzer auszubilden.
Es ist ein Kryokühler 17 bereitgestellt und kann eine Impuls-Röhre oder ein weiterer Typ eines Kryokühlers sein und enthält einen Kühlkopf 19, welcher in den Vakuumraum des Vakuumbehälters 2 wie bei herkömmlich integrierten Techniken vorragt. Idealerweise beschichtet eine ausreichend dicke Schicht eines Materials einer hohen thermischen Leitfähigkeit und einer hohen Widerstandsfähigkeit den Kühlkopf 19 zur thermischen Verankerung der DC-Spule und Stromleitungen, wodurch ebenfalls eine elektrische Isolation bereitgestellt wird.
Eine thermische Schnittstelle eines Materials 21 einer hohen thermischen Leitfähigkeit verbindet den Kryokühler-Kältekopf mit der DC-supraleitenden Spule. Die bevorzugte Form einer thermischen Schnittstelle zwischen dem Kältekopf von dem Kryokühler und der supraleitenden DC-Spule enthält einen flexibel geflochtenen Kupferdraht, welcher aus feinen Kupferadern erstellt ist.
Die bevorzugte Ausführungsform hat eine ausreichend dicke Bedeckungs-Isolierschicht 23 aus einer MLI (Mehrfachschicht-Isolation), wie beispielsweise aluminierte Mylar-Schichten oder äquivalente Materialien, welche um die DC-supraleitende Spule gewickelt sind.
Die Hochspannungs-Elektro-Vakuum-Durchführ-Buchsen, beispielsweise 25, werden dazu verwendet, um den AC-Phasen-Strom zu überführen. Es sind sechs solcher AC-Phase-Spule-Buchsen für die Ausführungsform 1 von 1 erforderlich, welche eine 3-Phasen-Vorrichtung ist. Diese Buchsen sind über mehrere Firmen kommerziell erhältlich. Es werden zwei Niedrigspannungs-DC-Strom-Elektro-Vakuum-Durchführ-Buchsen, beispielsweise 27, verwendet, um die DC-Sättigungs-Spule 15 über Leitungen, beispielsweise 29, zu versorgen. Diese Buchsen sind ebenfalls von einem standardisierten Typ, kommerziell über mehrere Firmen erhältlich.
Es ist eine zusätzliche elektrische Vakuum-Durchführung 31 bereitgestellt, um Temperaturüberwachungs- und Abtastsignale zur Außenseite des Vakuumbehälters zu bringen. Es können Druck- und Temperatursensoren auf den Spulen und am Stahlkern bereitgestellt werden, wenn erforderlich. Eine Rückführung von den Druck- und Temperatursensoren kann einer Kryokühl-PID-Steuereinheit bereitgestellt werden.
Es ist ein Vakuumpumpen-Anschluss 33 zur Verbindung einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) bereitgestellt, um den Vakuumbehälter 2 zu evakuieren.
Die Anordnung enthält ebenfalls eine massive Isolation zwischen den Phasen-Spulen und dem Stahlkern in der Form von einem AC-Spulenformer 5. Der Stahlkern und die Phasen-Spulen werden durch einen mechanischen Halteaufbau (nicht gezeigt) an Ort und Stelle gehalten.
In einer Anordnung eines FCL 1 kann der Entwurf enthalten:
Die Anzahl von AC-Phasen-Spule-Wicklungen beträgt auf jedem der sechs Schenkel gleich 20,
die Anzahl von DC-Spulen-Wicklungen beträgt 5600,
der DC-Vorspann-Strom beträgt 100 Ampere,
die AC-Spannungsquelle beträgt 138 kV Leitung-zu-Leitung RMS bei 60 Hz,
der Kern-Querschnittsbereich des permeablen Materials beträgt 0,05 qm,
die Stationärzustand-Einsetz-Impedanz des FCL beträgt 1 Milliohm bei 60 Hz,
die gewünschte Stationärzustand-Fehlstrom-Reduktion beträgt 70% des voraussichtlichen Stationärzustand-Fehlstroms (30% Reduktion).
Die Anordnung 1 erlaubt den Zusammenbau eines Hochspannungs-DC-gesättigten FCL mit einer HTS-Spule.
Es wird ebenfalls anerkannt, dass die aufgelisteten Parameter lediglich einen bestimmten Fall darstellen, und dass viele Variationen vorliegen, in Abhängigkeit davon, ob die Masse, die Aufstandsfläche oder die Kosten minimiert oder optimiert werden müssen.
Es können verschiedene standardisierte zusätzliche Equipments für die Anordnungen in den Figuren bereitgestellt werden. Beispielsweise können Hochspannungs-Elektrostatik- und Kriechausdehnungs-Barrieren und weitere elektrostatische Isolationsaufbauten bereitgestellt werden, obwohl sie in den Figuren aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt sind. Als ein weiteres Beispiel können elektrostatische Koronaringe auf den AC-Spulen, Isolationserweiterungen auf der Dielektrik-Seite von den Buchsen, welche die Phasen-Spule-Leiter bedecken, Phase-zu-Phase-Elektrostatik-Isolationsbarrieren, Phase-zu-Supraleitungsspule und kryostatische elektrostatische Isolationsbarrieren und Phase-zu-Erdung-Elektrostatik-Isolationsbarrieren bereitgestellt werden und innerhalb des Entwurfs gemäß dem elektrostatischen Belastungs-Verteilungsmuster integriert werden, wobei die verwendete Phasenspannung, der DIL, die maximale elektrostatische Belastung, welche innerhalb des Behälters an scharfen Kanten aufgefunden wird, und die maximale Kriechbelastung über die Oberflächen eine Rolle spielen. Die Isolationsbarrieren können aus geeigneten Isolationsmaterialien hergestellt werden, welche mit dem dielektrischen Isolationsfluid kompatibel sind. Diese Aspekte sind im Stand der Technik bekannt und sind dem Entwerfer von Hochspannungstransformatoren geläufig. Wenn beispielsweise Öl als das hauptsächliche Massenisolationsfluid verwendet wird, kann beispielsweise leicht erhältlicher, papierbasierter Karton verwendet werden, um die elektrostatischen Barrieren von der Phase-zu-Phase und von der Phase zu jeglichen weiteren Objekten auf Erdungspotenzial herzustellen. Diese sind in der Form von Zylindern für die Anordnung um den Kryostaten und die Kupferspulen erhältlich und werden dazu verwendet, um den massiven dielektrischen Isolationsraum zwischen Hochspannungs- und Niedrigspannungs-Bauteilen bei Distanzen zu unterteilen, welche für die Phasenspannung, die Spannungs-Belastungskonturen und hinsichtlich des unter Betrachtung stehenden Dielektrikums geeignet sind.
Es ist zu erwähnen, dass das Vakuum, obwohl es einige Vorteile hat, ein schlechter Wärmeleiter ist. Jedoch erlaubt es die Anordnung von 1, dass der vollständige FCL (welcher eine supraleitende DC-Spule enthält, welche als die Sättigungsspule wirkt) in das Vakuum eingetaucht wird. Die DC-supraleitende Spule 15, welche durch den Kryokühler 17 gekühlt wird, ist gegen die umgebende Außenwelt des Vakuumbehälters thermisch isoliert und ist gegen die Kupferspulen elektrisch isoliert und kann daher supraleitend verbleiben. Es ist kein Vakuum-isolierter Kryostat für die DC-supraleitende Spule erforderlich (wie dies normalerweise der Fall ist). Die MLI-Abdeckung 23 wird dazu verwendet, um die thermische Strahlungsemissions-Komponente von der Außenumgebung außerhalb des Vakuumbehälters und von dem Stahlkern und den Kupferspulen zu reduzieren und somit die Belastung auf den Kryokühler zu reduzieren.
Die Kupfer-AC-Phase-Spulen, beispielsweise 4, können gekühlt verbleiben. In der Anordnung 1 beträgt der Kupferanteil hinsichtlich der Masse und der Kosten weniger als etwa 2 Prozent von den gesamten Vorrichtungskosten und weniger als 3 Prozent von der gesamten Vorrichtungsmasse. Selbstverständlich unterscheiden sich die aktuellen Prozentanteile gemäß dem bestimmten spezifischen Entwurf, es wird jedoch anerkannt, dass die Kupfermenge und die Kosten geringere ökonomische Betrachtungen darlegen. Jedoch wird eine Verdoppelung des Querschnittsbereichs des Kupferleiters, welcher dazu verwendet wird, um die Kupferphasespulen von den gewöhnlichen Entwicklungsanforderungen auszubilden, basierend auf thermische Gesichtspunkte alleine, die thermische Wärmebelastung um einen Faktor von 4 bei minimalen Kosten, Massen und Größenimplikationen reduzieren wird. Auf diese Art und Weise reicht der normale Strahlungs-Kühlmechanismus zur thermischen Stabilität des Stahlkerns 3 aus.
Eine weitere Angelegenheit betrifft die Kühlung des Stahlkerns, beispielsweise 3. Bei einem DC-gesättigten FCL wird der Stationärzustand-Stahlkern-Verlust nicht anhand der Hysterese-Kurve des Stahlkerns, sondern von der nebengeordneten Hystereseschleife am Vorspannungspunkt berechnet. Der Stationärzustand-Verlust eines gesättigten Stahlkerns beträgt für gewöhnlich weniger als 2 Prozent des AC-Hysterese-Verlustes. Die geringe Größe des Leistungsverlustes im Stahlkern, kombiniert mit dem relativ großen Oberflächenbereich des Stahlkerns, führt zu einer ausreichenden Kühlung durch das Strahlungs-Bauteil alleine, so dass die Stationärzustand-Temperatur des Kerns innerhalb der Grenzen von praktischen Stahlkern-Aufbauten ist. Somit reicht der Strahlungs-Kühlmechanismus zur Wärmestabilität des Stahlkerns aus.
Es wird anerkannt, dass der genaue Stahlkern-Verlust von der vorliegenden Stahlmasse, dem Vorspannungspunkt und den Details hinsichtlich des Typs des im Kern verwendeten Stahls abhängt. Die letztendliche Temperatur des Stahlkerns und der Kupferspulen im Vakuumbehälter im Stationärzustand wird vom Oberflächenbereich abhängen. Jedoch sind dies Entwurfsdetails, für welche gut etablierte Berechnungen und weitere Werkzeuge/Methodiken, wie beispielsweise FEA, vorliegen, und welche innerhalb des Entwurfs oder des Kommissionierungsprozesses detailliert berechnet werden sollten.
Die mechanische Halterung 35 für die DC-supraleitende Spule ist aus einem Material einer geringen Wärmeleitfähigkeit hergestellt, wie beispielsweise Glasfaser-verstärkter Kunststoff (GFRP). Dies stellt eine wirksame Wärmeisolation gegen die Vakuumwände und Halterungsaufbauten bereit, welche bei Umgebungstemperatur oder einer höheren Temperatur gegeben ist. Der mechanische Halterungsaufbau 37 für den Stahlkern kann aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein und kann an die Vakuumbehälterhülle angebunden sein, um somit einen Wärmekurzschluss auszubilden. Der mechanische Halterungsaufbau, welcher die AC-Spulenformer, beispielsweise 5, für die Phasen-Spulen enthält, kann aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer sehr geringen elektrischen Leitfähigkeit (das heißt ein elektrischer Isolator) hergestellt sein, und der mechanische Halterungsaufbau kann an die Vakuumbehälterhülle angebunden sein, um somit einen Wärmekurzschluss auszubilden. Die Wicklung-zu-Wicklung- und Schicht-zu-Schicht-Elektroisolation von den AC-Spule-Phase-Wicklungen können mit einem elektrischen Isolationsmaterial isoliert sein, welches hohen Temperaturen widersteht. Beispielsweise können Nomex^TM, Glasfaser, Glasfaser-Epoxid-Zusammensetzung, Mica, Teflon, Kapton^TM oder weitere ähnliche Materialien verwendet werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform können mehrere unabhängige Kryokühler in den Entwurf integriert sein, um eine Redundanz der Kühlung für kritische Anwendungen, wie beispielsweise Unterstationen, bereitzustellen.
Entwurf 2. Ein Kryogen-flüssigkeitsgekühlter Hochspannungs-FCL
Die Anordnung von 1 kann nicht unmittelbar dazu geeignet sein, um eine DC-supraleitende Spule mit kryogenen Flüssigkeiten und Gasen zu kühlen. Eine Kühlung mit kryogenen Flüssigkeiten und Gasen bietet viele operative Vorteile gegenüber mechanischen Verfahren. Eine weitere Variation von der Anordnung von 1 wird nun beschrieben, welche im Wesentlichen besser zur praktischen Inbezugnahme von einer kryogenen Flüssigkeit oder einem Gas geeignet ist, welches ein DC-supraleitendes Spulen-Bauteil kühlt. Der Aufbau wird mit Bezug auf die Schnittansicht von 2 beschrieben.
Die Anordnung von 2 ist im Wesentlichen ähnlich jener von 1. Jedoch ist in dieser Anordnung 40 die DC-Spule 41 in einer Kammer, welche durch eine separate einzelne Wand umgeben ist und vakuumdicht ist oder in einem Kryostat untergebracht und mit einem kryogenen Fluid, wie beispielsweise flüssiger oder gasförmiger Stickstoff, flüssiges oder gasförmiges Neon oder flüssiges oder gasförmiges Helium gefüllt, um die supraleitende DC-Spule zu kühlen. Eine MLI-Wärme-Abdeckung ist um die supraleitende DC-Spule an der Innenoberfläche von dem kleineren Vakuumbehälter 42 platziert.
Es wird nun anerkannt, dass ein solcher Aufbau zusätzliche Durchführungen 45 an dem DC-Spule-Kryostat, um den DC-Elektrostrom 47 zu durchleiten, eine Geräteausstattung und thermische Kopplungsleiter von der Vakuumumgebung zum Hauptgehäusebehälter in der kryogenen Umgebung von dem DC-Spule-Kryostat 42 erfordern wird.
Bei diesem Hochspannungs-FCL-Entwurf kann erkannt werden, dass ein alternatives Element zum Bereitstellen einer kryogenen Kühlung für die DC-supraleitende Spule 41 bereitgestellt ist. Der Hauptbehälter 49, in welchem der FCL-Aufbau untergebracht ist, verbleibt unter Vakuum, so dass der Behälter 42, welcher den flüssigen Stickstoff enthält, lediglich einwandig sein muss, keine Vakuum-isolierte Wand braucht, weil die Umgebungsbedingungen bereits unter Vakuum sind, und die thermische Isolation gegen die Außenatmosphäre-Umgebungsbedingungen bereitstellt. Die thermische Abdeckung 43 verbleibt, um die Spule gegen eine Strahlungswärme abzuschirmen, welche von den AC-Phase-Spulen, dem Stahlkern und dem Vakuumbehälter, in welchem der FCL-Aufbau untergebracht ist, herkommt.
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Kryostaten von 2, welche den Kryostaten detaillierter darstellt.
Entwurf 3. Kryogen-flüssigkeitsgekühlte DC-Spule und AC-Phasen/Kern in einem separaten dielektrischen Medium
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist in der Schnittansicht in 3 mit 50 ein DC-gesättigter FCL eines ähnlichen Aufbaus hinsichtlich von 1 und 2 bereitgestellt, wobei hingegen die DC-gesättigte Spule in einem separaten Vakuumisolierten Kryostaten 51 untergebracht ist, welcher mit einem kryogenen Fluid, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff, gefüllt werden kann. Der Behälter 53, in welchem der Aufbau eingetaucht wird, ist mit einem dielektrischen Medium, wie beispielsweise SF6, Stickstoffgas, synthetisches Silikonöl, Pflanzenöl oder einem weiteren geeigneten dielektrischen Medium für Hochspannungsanwendungen gefüllt. In der Anordnung 50 können massive Isolations-Elektrobelastungs-Barrieren zwischen den Phase-Spule-Paaren und zwischen den AC-Phase-Spulen und den Kryostaten verwendet werden, um somit die massive dielektrische Isolation in schmale Kanäle zu unterteilen.
3a ist eine vergrößerte Schnittansicht des Kryostaten von 3, welche den Kryostaten detaillierter darstellt.
Entwurf 4. Vollständig eingetauchter DC-gesättigter FCL für Hochspannungsanwendungen
In einer weiteren alternativen Ausführungsform, wie in 4 angezeigt, ist der gesamte FCL 40 von der in 1 beschriebenen bevorzugten Ausführungsform in eine geeignete kryogene Flüssigkeit eingetaucht, wobei die kryogene Flüssigkeit ebenfalls ein gutes Dielektrikum ist, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff, flüssiges Neon oder flüssiges Helium. Bei dieser Entwurfsvariante ist der Behälter, welcher den vollständigen FCL unterbringt, durch einen Vakuum-isolierten Kryostaten 62 ersetzt, und ist der Behälter, welcher lediglich die DC-Spule unterbringt (wie in Entwurfsvariante 2 und 3) nicht länger erforderlich.
Die kryogene Flüssigkeit 63 kann bei einem Umgebungsdruck (beispielsweise eine Beckensiedeflüssigkeit) oder bei einem ausreichend niedrigen Druck sein, so dass die kryogene Flüssigkeit nicht unterkühlt ist. Die kryogene Flüssigkeit kann durch jegliche der Standardlösungen beibehalten werden, welche vorliegen, wie beispielsweise ein Platzieren des Kühlkopfes direkt in die obere gasförmige Fehlstelle, ein Durchleiten eines Gases zu einem Neuverflüssiger oder ein vollständiges Verlust/Auffüllungs-System.
Es sollte erwähnt werden, dass die AC-Phasen-Spulen 64 in dem Entwurf 60 von 4 in dem kryogenen Dielektrikum nicht supraleitend sind und es daher potenzielle wesentliche elektrische Verluste in der dielektrischen Flüssigkeit gibt, welche durch das kryogene Auffüllungssystem entfernt werden müssen. Jedoch, wie zuvor beschrieben, sind die Kosten und die Massen der AC-Phasen-Spulenwicklung als Parameter weniger wesentlich hinsichtlich ökonomischer und technischer Betrachtungen eines DC-gesättigten FCL. Zusätzlich folgen die elektrischen Verluste einer herkömmlichen leitenden elektromagnetischen Spule im Wesentlichen dem Inversen des Querschnittsbereiches des Leiters. Somit können die AC-Phasen-Spulenwicklungen derart entworfen sein, dass sie einen geeigneten Leiter haben, welcher einen übergroßen Querschnittsbereich hat, und zwar verglichen mit normalen Anforderungen, bei welchen ein Querschnitt lediglich hinsichtlich von Verlusten bei Umgebungsbedingungen gewählt wird.
Bei dieser Entwurfsvariation kann das kryogene Auffüllungssystem ein Gesamtverlustsystem, einen Kryokühler, bei welchem der Kühlkopf innerhalb des Behälters platziert ist, oder ein Gas-Neuverflüssigungs-System enthalten.
Entwurf 5. Vollständig eingetauchter DC-gesättigter FCL mit supraleitenden AC-Spulen
In einer weiteren alternativen Ausführungsform sind, dargestellt in der Schnittansicht von 5, die AC-Phasen-Spulen des Entwurfs 4 durch supraleitende Spulen 71 ersetzt und ist der gesamte FCL (welcher die Hauptbauteile eines Kerns, AC-Phasen-Spulen und eine DC-Spule enthält) in eine kryogene Flüssigkeit im Wesentlichen eingetaucht, wie bei der Variante des Entwurfs 4. Ferner ist der Kryokühler in dieser Anordnung direkt mit der Oberseite des Kryostaten gekoppelt.
Eine Angelegenheit hinsichtlich dieses Entwurfs kann die Joulesche Erwärmung aufgrund von AC-Verlusten des Supraleiters und der Energieverluste des Kerns sein, wobei eine ausreichende Kühlleistung bereitzustellen ist, um diese Verluste zu kompensieren. Jedoch gestalten drei inhärente Entwurfselemente des DC-gesättigten Kern-FCL diese Entwurfsvariante eines praktischen Verfahrens zum Herstellen eines Hochspannungs-FCL. Diese enthalten:

1) die Tatsache, dass lediglich wenige Wicklungen erforderlich sind, um die AC-Phasen-Spulen herzustellen, ungleich eines supraleitenden Transformators. Bei dem Entwurf von 1 ist die Größe des HTS-supraleitenden Leiters, welcher erforderlich ist, um die sechs Phasen-Spulen herzustellen, weniger als 600 m. Dies basiert auf der Annahme, dass der Eigenfeld-kritische Strom des HTS-Leiters bei 77 K gleich 240 Ampere beträgt. Die supraleitende Wicklung kann derart entworfen sein, dass ein mittlerer AC-Verlust von weniger als 0,01 Watt pro Meter des supraleitenden Leiters vorliegt, und dass somit der Gesamtverlust für alle sechs Phasen-Spulen im Bereich von beispielsweise 6 Watt bei 77 Kelvin beträgt. Dies würde lediglich in dem Bereich von 100 Watt einer Wandleistung bei Raumtemperatur erfordern, welche zu entnehmen ist, welches gänzlich praktisch und ökonomisch erzielbar ist.
2) Der FCL-Kern ist gut in Sättigung vorgespannt und somit liegen Stationärzustand-Kernverluste aufgrund von Auslenkungen um die nebengeordnete Hystereseschleife, jedoch nicht die vollständige Hystereseschleife von dem Kern, vor.
3) Bei den kryogenen Temperaturen ist die Eindringtiefe des Wirbelstroms in die dünnen Laminierungen des Stahlkerns bei Leistungsfrequenzen derart, dass Wirbelstromverluste in einem Größenbereich kleiner als Raumtemperaturen sind.

Entwurf 6. Superhochspannungs-DC-gesättigter FCL
Die in den vorherigen Figuren gezeigten bestimmten Entwürfe können nicht für Superhochspannungs-Vorgaben geeignet sein. Genauer gesagt sind die zwei unterschiedlichen Phasen-Spulen in den Figuren in nächster Nähe. Selbstverständlich kann die Anordnung der Eisenkerne rekonfiguriert werden, wie dies hinsichtlich von Aufstellfläche-Beschränkungen oder weiteren physikalischen und technischen Beschränkungen für jede bestimmte Anwendung geeignet ist.
Bezug nehmend nun auf 6, ist eine Schnittansicht eines Entwurfs 80 für einen Superhochspannungs-FCL dargestellt. In der Anordnung 80 sind jedes Paar von Kernschenkeln 81 und Paare von AC-Phasen-Spulen 82 bei zueinander maximaler Distanz platziert. Es ist zu erwähnen, dass jede der Entwurfsvariationen, wie hier beschrieben (das heißt, wie in 1 bis 5 dargestellt), auf dem in 6 beschriebenen Superhochspannungsentwurf angewendet werden kann. Jeder hat seine ökonomischen und technischen Entwurfsvorteile und -Nachteile.
Beispielsweise kann die in 6 gezeigte Anordnung 80 supraleitend sein und in einem Kryostaten untergebracht sein, wobei der Kryostat mit einer kryogenen Flüssigkeit gefüllt ist.
In einer weiteren modifizierten Ausführungsform kann der Ausgleich des FCL-Behälters zusätzlich mit einem dielektrischen Gas gefüllt sein. In einer weiteren modifizierten Ausführungsform kann das FCL-Gehäuse ein Vakuum-isolierter Kryostat sein, welcher mit einem kryogenen Flüssigkeitsdielektrikum oder Gas (wie beispielsweise Stickstoff, Neon oder Helium) gefüllt ist, und wobei der vollständige FCL in dem kryogenen Medium eingetaucht ist. In einer weiteren Ausführungsform sind die AC-Phasen-Spulen zusätzlich supraleitend.
In alternativen Anordnungen kann der Kryokühler in Relation zum FCL entfernt platziert sein. Beispielsweise können Überführungsröhren für den gasförmigen Stickstoff (oder Weiteres) in einer solchen Anordnung von der Oberseite des FCL her verbunden sein, und kann das Gas in einem entfernten Tank mit einem ähnlichen Kryokühler, wie in den Figuren gezeigt, zur kryogenen Flüssigkeit neu kondensiert werden. Dieser Tank kann den Kryostaten/den Behälter mit flüssigem Kryogen kontinuierlich aufarbeiten.
Entwurf 7. Hochspannungs- und Superhochspannungs-Fehlstrom-Begrenzer, welcher durch rezirkuliertes Gas gekühlt ist
Ein Entwurf für einen erzwungenermaßen durch He-Gas gekühlten Hochspannungs- oder Superhochspannungs-FCL 90 ist in 7 angezeigt.
Der Behälter 91, welcher die supraleitende Spule hält, kann aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise rostfreier Stahl, Kunststoff oder ein Glasfaser-verstärkter Kunststoff, hergestellt sein. Die Röhren 92, welche um die supraleitende Spule umwickelt sind, enthalten das Kühlmedium und stehen im guten Wärmekontakt mit der supraleitenden Spule und können aus Kupfer oder einem weiteren Material hergestellt sein, welches zu einem guten thermischen Kontakt mit der supraleitenden Spule fähig ist. Es tritt eine Wärmeüberführung von der supraleitenden Spule 94 in das kalte rezirkulierte Fluid 92 auf.
Das Rezirkulations-Fluid 92 kann eine jegliche geeignete kryogene Flüssigkeit oder ein Gas sein, jedoch ist der Entwurf insbesondere geeignet für 20 Kelvin Heliumgas, 30 Kelvin Neon oder 77 K Flüssigstickstoff. Das Fluid wird über Vakuum-isolierte Röhren 95, 96 zugeführt. Der vollständige Behälter 97, welcher das Isolationsfluid enthält, und der Behälter, welcher die supraleitende Spule enthält, sind mit einem dielektrischen Medium gefüllt, wie zuvor beschrieben.
Der Vorteil dieses Entwurfs liegt darin, dass der Kryostat, welcher lediglich die FCL-Spule enthält, ein Vakuumbehälter mit einer einzelnen Wand zu sein braucht, welches den Gesamtentwurf des FCL vereinfacht.
Dieser Entwurf ist insbesondere für alle plastischen Kryostaten geeignet, welches den elektrostatischen Entwurf von der vollständigen Vorrichtung vereinfacht, weil der Kryostat selber eine zusätzliche elektrische Belastungs-Isolationsbarriere zwischen den Hochspannungs-AC-Phasen-Spulen und der Niedrigspannungs-supraleitenden Spule ausbilden wird. Dies ermöglicht einen kompakteren Hochspannungs-Entwurf, und zwar verglichen mit jenem Fall, bei welchem der Kryostat aus rostfreiem Stahl erstellt ist.
Es wird anerkannt, dass Elemente und Merkmale von den zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen (inklusive 1 bis 6) zu diesem Entwurf angewendet werden können. Beispielsweise können die AC-Phasen-Spulen supraleitend sein und kann das dielektrische Medium ein kryogenes Fluid sein, wie beispielsweise jenes, auf welches zuvor Bezug genommen wurde. Insbesondere wird die Anordnung von den Kernen im Entwurf 6 (6) bevorzugt sein, wenn eine Superhochspannungs-Version des Entwurfs in 7 erforderlich ist.
Allgemein gesagt, indem ein entferntes Flüssigkeitsverfahren verwendet wird, können eine Redundanz und eine Wartung einfacher realisiert werden. Wenn beispielsweise zwei Kryokühler und zwei Speichertanks verwendet werden, und wenn diese entfernt zum FCL positioniert werden, kann eine Wartung bei einem Kryokühler durchgeführt werden, während der weitere im Betrieb verbleibt. Auf diese Art und Weise kann der FCL weiterarbeiten, in der Schaltung eingebunden verbleiben und arbeiten bzw. operieren, und zwar während einer Kryokühler-Wartung oder Reparatur-Aktivitäten, und es gibt keine Notwendigkeit, den FCL auszuschalten, wenn diese Annäherung verwendet wird.
In den bevorzugten Ausführungsformen kann der Kryostat aus einer Anzahl von Materialien hergestellt sein, welche rostfreien Stahl, Glasfaser-verstärkter Kunststoff, G10, G11 oder weitere Polymermaterialien enthalten. Ferner können diese Materialien für das elektrische Vakuum verwendet werden, welches durch Anschlussteile und Vakuum-Anschlussteile durchführt wird, welche an der Oberseite des Kryostaten sind.
Bezug nehmend nun auf 8, ist ein Simulationsergebnis 100 für einen 138 kV 3-Phasen-Entwurf dargestellt. Die Simulation wurde auf die Anordnung von 1 gerichtet und enthält die folgenden Entwurfsparameter:
Anzahl von Wicklungen auf jeder AC-Phasen-Spule (n) = 130 Wicklungen
Anzahl von Wicklungen auf der DC-gesättigten Spule (N) = 8000 Wicklungen
Vorspannungs-Strom in der DC-Spule (I) = 100 Ampere
Querschnittsbereich des Stahls in den Kernschenkeln und Jochen (A) = 0,18 m²
Kernfenster-Ausmaße = 1,1 m Breite × 2,2 m Höhe
Verwendete Schaltungsintegrations-Annahmen:

1) Frequenz = 60,0 Hz
2) Quellenimpedanz = 1,000 + 7,540 J Ohm
3) Belastungsimpedanz, Stationärzustand, 20,00 + 15,08 J Ohm
4) Fehlimpedanz = 0,8 Ohm (lediglich Widerstand)

Ein erster Kurvenverlauf 101 zeigt den resultierenden Fehlstrom, bei welchem kein FCL vorlag, und ein zweiter Kurvenverlauf 102 zeigt den Fehlstrom, bei welchem der FCL vorlag. Es kann anhand der Simulation erkannt werden, dass der Entwurf bei einem Fehlstrom-Begrenzer wirksam arbeitet.
Es sollte ebenfalls anerkannt werden, dass die hier dargelegten Entwürfe alle Vorteile hinsichtlich eines praktischen Fehlstrom-Begrenzers enthalten, welche im Stand der Technik, bezogen auf DC-gesättigte Fehlstrom-Begrenzer, beschrieben sind. Genauer gesagt enthalten diese: niedriger Stand durch Kernverluste aufgrund des gesättigten Zustandes von dem Kern hoher Permeabilität des Fehlstrom-Begrenzers, eine geringe Anschluss-Impedanz [beispielsweise US-Patent 7193825 von Darmann et al.], einfacher Entwurf, da der Hauptaufbau jene Aufbautechniken verwendet, welche den Herstellern von Transformatoren und Reaktoren bekannt sind, wenn eine supraleitende Spule für das gesättigte Element verwendet wird, wobei die Entwürfe, welche hier dargelegt sind, geringe AC-Verluste darlegen, und zwar verglichen mit alternativen supraleitenden FCLs, weil die Spule lediglich einen DC-Strom überführt, eine Vereinfachung hinsichtlich des Entwurfes des kryogenen Behälters, da die supraleitende Spule bei einer niedrigen Spannung ist und nicht auf die Haupt-Phase-Spannung von den AC-Leitungen vorbelastet ist, eine Vereinfachung der mechanischen Halterung für das supraleitende Element, da der AC-Leitung-Fehlstrom nicht durch die supraleitende Spule überführt wird, und eine Vereinfachung der kryogenen Kühlung und der Sicherheitsprozeduren für die supraleitende Spule, da die AC-Leitung Fehlenergie nicht in das Kühlmedium ausgegeben wird.
Im Vorhergehenden sind bevorzugte Merkmale der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es können Modifikationen, welche dem Fachmann offensichtlich sind, hierauf vorgenommen werden, ohne vom Umfang von der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7193825 [0002, 0002, 0040, 0043, 0090]
US 6809910 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

AS2374 Part 3 [0009]
AS2374 Part 3.1 [0009]
AS2374 Part 5 [0009]
Paschen, Wied., Annalen der Physik, 1889, vol. 37: Seiten 69–75 [0040]

Claims

Fehlstrom-Begrenzer, welcher zur Verbindung mit einer Mittelspannungs-, Hochspannungs- oder Extrahochspannungs-Trafostation oder einer weiteren Hochspannungsquelle, wie beispielsweise eine Generatorstation, entworfen ist, wobei der Begrenzer enthält: eine ferromagnetische Schaltung, welche aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet ist und zumindest einen ersten Schenkel, einen zweiten Schenkel und einen dritten Schenkel enthält; eine erste Eingabe-Phase-Spule, welche um den ersten Schenkel gewickelt ist, eine zweite Ausgabe-Phase-Spule, welche um den dritten Schenkel gewickelt ist; einen magnetischen Sättigungsmechanismus, welcher einen Schenkel zur magnetischen Sättigung des ferromagnetischen Materials umgibt; einen Aufnahmebehälter, welcher ein im Wesentlichen gleichförmiges Medium mit geringer elektrischer Leitfähigkeit bereitstellt, welches die ferromagnetische Schaltung, die Phase-Spulen und den Sättigungsmechanismus umgibt.
Fehlstrom-Begrenzer nach Anspruch 1, bei welchem das Medium mit geringer elektrischer Leitfähigkeit ein Vakuum von weniger als 10^–3 mBar enthält.
Begrenzer nach Anspruch 1, bei welchem das Medium mit geringer elektrischer Leitfähigkeit ein dielektrisches Medium, wie beispielsweise SF6, Stickstoffgas, synthetisches Silikonöl oder Pflanzenöl, enthält.
Begrenzer nach Anspruch 1, bei welchem das Medium eine kryogene Flüssigkeit oder Gas enthält.
Begrenzer nach Anspruch 1, bei welchem der magnetische Sättigungsmechanismus eine supraleitende DC-Spule enthält.
Begrenzer nach Anspruch 5, bei welchem die supraleitende DC-Spule auf einer Basis eines Materials einer geringen thermischen Leitfähigkeit gelagert ist.
Begrenzer nach Anspruch 5, bei welchem der Sättigungsmechanismus eine supraleitende Spule enthält, welche in einem Kryostaten positioniert ist.
Begrenzer nach Anspruch 4, bei welchem der Kryostat eine externe thermische Isolationsabdeckung enthält.
Begrenzer nach Anspruch 7, bei welchem der Kryostat aus Kunststoff-Wänden ausgebildet ist.
Begrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Phasen-Spulen aus einer Kupferwicklung ausgebildet sind, welche, in Relation zu standardisierten Phasen-Spulen zum Überführen eines erwarteten Stroms, einen vergrößerten Leiterquerschnitt haben.
Begrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Sättigungsmechanismus eine mechanische Halterung enthält, welche aus einem Material einer geringen thermischen Leitfähigkeit ausgebildet ist.
Begrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das ferromagnetische Material einen laminierten Stahlkern enthält.
Begrenzer nach Anspruch 1, bei welchem die Gleichstrom-Spule eine supraleitende Spule enthält, und wobei der Begrenzer ferner ein gekapseltes supraleitendes Kühlelement enthält, welches die supraleitende Spule umgibt.
Begrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Phasen-Spulen supraleitende Spulen sind.
Begrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Begrenzer drei Phasen auf separaten ferromagnetischen Schaltungen enthält.
Begrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Quellenspannung 37 kV übersteigt.
Begrenzer nach Anspruch 5, bei welchem die supraleitende DC-Spule durch eine Spule umgeben ist, welche ein kryogenes Fluid oder Gas enthält.
Begrenzer nach Anspruch 17, bei welchem das kryogene Fluid oder Gas von einer externen Quelle aus an den Begrenzer zugeführt wird.
Begrenzer nach Anspruch 18, welcher redundante Versorgungsquellen für das Fluid oder Gas enthält.
Fehlstrom-Begrenzer, welcher dazu entworfen ist, eine Hochspannungsquelle zu bedienen, wobei der Begrenzer enthält: eine ferromagnetische Schaltung, welche aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet ist und zumindest einen ersten Schenkel, einen zweiten Schenkel und einen dritten Schenkel enthält; eine erste Eingabe-Phase-Spule, welche um den ersten Schenkel gewickelt ist, eine zweite Ausgabe-Phase-Spule, welche um den dritten Schenkel gewickelt ist; eine Gleichstrom-Spule, welche um den zweiten Schenkel gewickelt ist, um die ferromagnetische Schaltung während einer normalen Verwendung zu sättigen; einen Vakuumbehälter, welcher die ferromagnetische Schaltung umgibt und die Schaltung im Vakuum beibehält.
Begrenzer nach Anspruch 20, bei welchem die Gleichstrom-Spule eine supraleitende Spule enthält, und wobei der Begrenzer ferner ein verkapseltes supraleitendes Kühlelement enthält, welches die supraleitende Spule umgibt.
Fehlstrom-Begrenzer, im Wesentlichen wie hier mit Bezug auf eine der Ausführungsformen von der Erfindung, wie in den begleitenden Zeichnungen und/oder in den Beispielen dargestellt, beschrieben.