DE69610229T2

DE69610229T2 - Supraleitende Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung

Info

Publication number: DE69610229T2
Application number: DE69610229T
Authority: DE
Inventors: Francis J. Mumford
Original assignee: Alstom UK Ltd
Current assignee: GE Power UK
Priority date: 1995-01-28
Filing date: 1996-01-16
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2016-01-17
Also published as: GB2297432A; US5694279A; ATE196382T1; EP0724274A2; CN1137698A; GB9501717D0; EP0724274A3; EP0724274B1; CN1054710C; DE69610229D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine induktive supraleitende Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung (SCFCL).
Gemäß Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen kann eine induktive SCFCL gebildet werden aus einer primären Wicklung 1 und einer verkürzten sekundären Wicklung 2, die um einen Eisenkern (oder ein Luftvolumen) 3 gewickelt sind. Die verkürzte Wicklung ist eine Schicht oder ein Zylinder aus supraleitendem Material und die primäre Wicklung ist Bestandteil eines Stromkreises, der gegen Fehlerströme zu schützen ist. Während des Normalbetriebs schirmt der Fluß, der auf den in dem Supraleiter induzierten Strom zurückgeht, effektiv den magnetischen Fluß der primären Wicklung gegenüber dem Eisenkern ab (oder hebt ihn auf) und aus der SCFCL wirkt eine niedrige Induktivität im Stromkreis. Falls jedoch die Stromdichte in dem Supraleiter über den kritischen Wert ansteigt, wird der Supraleiter normalleitend mit nichtverschwindendem Widerstand und der im Supraleiter induzierte Strom kann nicht mehr einen ausreichenden, ausgleichenden Fluß erzeugen. Dann besteht in der Summe ein nicht abgeschirmter/unausgeglichener primärer Fluß, der in das Eisen eindringt und Ursache für einen großen induktiven Blindwiderstand ist, der seinerseits den Fehlerstrom begrenzt.
Durch eine supraleitende Wicklung mit einer gegebenen kritischen Stromdichte (Jc) und einem gegebenen Querschnitt ist ein kritischer primärer Strom vorbestimmt - der Fehlerstrom - oberhalb dessen Wert die Selbstbegrenzung stattfindet.
Der Widerstand RS im sekundären Stromkreis in Fig. 1 stellt den Widerstand des Supraleiters dar, der auftritt, wenn die Primärstromstärke den Fehlerstrom überschreitet.
Eine supraleitende Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung von induktivem Typ, die einen sog. Hochtemperatursupraleiter (HTS) verwendet, ist z. B. aus dem Europäischen Patent Nr. 0353449 bekannt.
Ein Problem, das in den oben genannten Bauelementen nach dem Stand der Technik auftritt, besteht darin, daß der Fehlerstrom, der sich einrichten läßt, übermäßig durch die Querschnittfläche des supraleitenden Flußpfads begrenzt ist. Ein Versuch, den Schwellwert des Fehlerstroms zu erhöhen durch eine Erhöhung der Dicke des sekundären Zylinders (und somit des Querschnitts des Flußpfads) in dem Bauelement nach dem Stand der Technik ist unbefriedigend, weil die kritische Stromdichte des Supraleiters (Jc) sich verschlechtert, wenn die Materialstärke zunimmt. Zudem ist eine dünne Schicht eines HTS wünschenswert, um kurze Schaltzeiten sicherzustellen und um sicherzustellen, daß ein Temperaturanstieg während der Fehlerbedingung kontrollierbar bleibt, ohne daß es nötig ist, Stromunterbrecher in dem zu schützenden Stromkreis wirken zu lassen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine supraleitende Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung zu ermöglichen, die weitgehend die obigen Probleme des Stands der Technik behebt.
Gemäß der Erfindung weist ein induktive supraleitende Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung eine primäre Wicklung für den Fehlerstrom, eine sekundäre Wicklung in Form eines supraleitenden Zylinders und einen ferromagnetischen Kreis, der sowohl an die primäre als auch an die sekundäre Wicklung angekoppelt ist, auf, wobei die primäre und die sekundäre Wicklung so angeordnet sind, daß sie im wesentlichen eine Auslöschung des primären Flusses im ferromagnetischen Kreis für den Fall der Supraleitung in der sekundären Wicklung bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Zylinder ein Substrat umfaßt mit Abschnitten daran, die sich zur Seite in Bezug auf die Längsachse des Zylinders erstrecken, wobei die Abschnitte einen Überzug aus supraleitendem Material tragen.
Mindestens einige dieser Abschnitte sind offenliegende Oberflächen, die den Kontakt zwischen einer Kühlflüssigkeit und dem supraleitenden Überzug zulassen.
Die Abschnitte können einen Stapel aus scheibenförmigen Einzelteilen, die auf einer oder auf beiden Seiten mit einem supraleitendem Material überzogen sind, umfassen. Die scheibenförmigen Einzelteile können sich der Reihe nach abwechseln mit Distanzstücken, um zu ermöglichen, daß eine Kühlflüssigkeit mit den supraleitenden Überzügen in Kontakt tritt.
Alternativ kann das Substrat als ein Zylinder mit gerippter äußerer Oberfläche sein.
In einer anderen Ausführungsform kann das Substrat von im wesentlichen gleicher Stärke und von gewellter Form sein.
Der supraleitende Zylinder und die primäre Wicklung können an der selben Stelle auf dem ferromagnetischen Kreis angebracht sein und der supraleitende Zylinder kann innerhalb der primären Wicklung liegen.
Eine supraleitende Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung gemäß der Erfindung wird nun beispielshalber beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
Fig. 1 das Schaltbild einer grundlegenden SCFCL zeigt;
Fig. 2(a) die Querschnittansicht einer SCFCL gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 2(b) einen vergrößerten Ausschnitt des supraleitenden Zylinders aus Fig. 2 (a) zeigt; und
Fig. 3 eine Ansicht von oben und von der Seite auf eine einzelne "Scheibe" aus dem supraleitenden Zylinder aus Fig. 2 zeigt.
Gemäß Fig. 1 ist eine Primärwicklung in Reihe geschaltet mit dem zu schützenden Stromkreis. Die Wicklung 1 umschließt einen ferromagnetischen Kern 3, der ebenfalls gekoppelt ist mit einer supraleitenden Wicklung 2, die einen kurz geschlossenen sekundären Stromkreis bildet. Der Widerstand der sekundären Wicklung ist dargestellt durch einen variablen Widerstand RS, dessen Wert vom Zustand der Supraleitung abhängt. Dieser wiederum hängt von der Stromdichte ab und ist supraleitend unterhalb eines kritischen Werts und normalleitend mit nichtverschwindendem Widerstand oberhalb dieses Werts. Im supraleitenden Zustand bei normalen Stromstärken ist der in dem supraleitenden Zylinder induzierte Strom derart, daß die Ampere-Windungen gleich groß und entgegen gerichtet zu denen der primären Wicklung sind.
Die zwei Wicklungen können in ihrer Zusammensetzung betrachtet werden, die eine verschwindende Gesamtfeldstärke erzeugt und demzufolge einen verschwindenden Gesamtfluß im Eisenkern.
Alternativ kann es so gesehen werden, daß der supraleitende Zylinder 2 als eine Abschirmung wirkt, die den primären Fluß daran hindert, den Eisenkern zu "sehen". Die primäre Induktivität ist daher sehr gering und gegenüber dem geschützten Stromkreis tritt ein zu vernachlässigender Scheinwiderstand auf.
Die sekundäre Stromstärke steigt mit der primären Stromstärke an, bis die kritische Stromstärke Jc für die supraleitende Abschirmung überschritten wird. An diesem Punkt, durch den der Eintritt einer Fehlerbedingung im Primärkreis festgelegt ist, wird die Sekundärseite normalleitend mit nichtverschwindendem Widerstand (d. h. RS nimmt von Null ausgehend zu), die zwei magnetischen Stärken geraten aus dem Gleichgewicht, ein Gesamtfluß dringt in den Eisenkern ein, die Induktivität der primären Wicklung nimmt sehr stark zu und der sich ergebende erhöhte Scheinwiderstand begrenzt den Fehlerstrom.
Gemäß Fig. 2(a) wird ein rechteckiger Weicheisenkern 3 gezeigt, von dem ein Teil umschlossen wird von einer primären Kupferwicklung 1 und einem supraleitenden Zylinder 2, der eine kurz geschlossenen sekundäre Wicklung bildet.
Der Zylinder 2 ist nur grob von zylindrischer Form und besteht aus einer keramischen Röhre 5 aus Zirkonium (vergrößert gezeigt in Fig. 2(b)), die zusammengepaßt ist mit scheibenförmigen Teilen 4, zu sehen in Fig. 3, aus Zirkonium, wobei die letztgenannten auf einer oder beiden Seiten mit einem Hochtemperatursupraleiter beschichtet sind. Zur Zeit sind verschiedene HTS Materialien verfügbar, die eine kritische Temperatur oberhalb von 77K haben.
Die Scheiben 4 sind getrennt durch Distanzstücke 6, die ebenfalls aus Keramik bestehen.
Die Dicke des Überzugs liegt im Bereich von 50-100 um und ist begrenzt auf unter 100 um, um eine Verschlechterung von Jc zu vermeiden. Die radiale Ausdehnung der beschichteten Oberfläche der Scheibe kann in der Größenordnung von 50-100 Mal der Dicke des Überzugs liegen.
Im Prinzip können die Distanzstücke von gleicher Größe und Form wie die beschichteten Scheiben sein, um so einen wirklich stabilen, dickwandigen keramischen Zylinder zu ergeben, der periodisch ringförmige supraleitende Abschnitte enthält. Jedoch ist es wesentlich, um die Supraleitung bis zum geplanten Schwellwert des Fehlerstroms aufrechtzuerhalten, daß die Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur gehalten wird.
Der Einsatz von Distanzringen mit kleinem Durchmesser ermöglicht den Hinzutritt von einer Kühlflüssigkeit, z. B. flüssigem Stickstoff, zu den suprdleitenden Überzügen und verbessert somit die Stromtragfähigkeit beträchtlich.
In der Anordnung, die voneinander getrennte Scheiben mit supraleitendem Überzug verwendet, kann Verlustfluß zwischen den ringförmigen Abschnitten entweichen und so einen Grad der Kopplung zwischen primärem Fluß und Eisenkern zulassen. Dies kann behoben werden durch die Einschränkung des Zwischenraums zwischen den Scheiben und/oder durch das Überziehen des röhrenförmigen Substrats (5) selbst mit einem dicken Überzug aus supraleitendem Material. Dann wären keine Lücken für das Entweichen von Verlustfluß mehr vorhanden.
In Fig. 2 wird der supraleitende Zylinder dargestellt als zwischen der Kupferwicklung 1 und dem Eisenkern 3 liegend.
Diese Anordnung ist vorzuziehen, um den Gewinn aus der Wirkung als Abschirmung zu ziehen, die je nach Notwendigkeit verbessert wird durch Überziehen des röhrenförmigen Substrats 5.
Durch die Anordnung der primären Wicklung 1 unmittelbar auf dem Eisenkern kann offensichtlich der supraleitende Zylinder in dieser Ausführungsform keine Wirkung als Abschirmung entfalten, ergibt aber zusammen mit der primären Kupferwicklung einen verschwindenden äußeren Gesamtfluß. Es kann jedoch einen Grad von Verlustfluß geben aus der primären Wicklung, die mit dem anliegenden Eisenkern trotz der ausgleichenden supraleitenden Wicklung koppeln wird.
Unter manchen Umständen, in denen der Fluß auf den Eisenkern eingeschränkt werden kann, können die primäre und die sekundäre "Wicklung" entlang des magnetischen Kreises verschoben werden, so daß sie verschiedene Abschnitte des Kerns umschließen. Im allgemeinen wurden die besten Ergebnisse erzielt, wenn die Wicklungen zusammen angeordnet waren, und wenn die supraleitende Wicklung innerhalb der Kupferwicklung lag.
Es ist offensichtlich, daß der vergrößerte Querschnitt des sekundären Strompfads durch den Einsatz von supraleitenden Überzügen von anderer Form als in der Anordnung von Scheiben erreicht werden kann. Demnach kann die Oberfläche des keramischen Zylinders in der Ebene aus Fig. 2 eine Schlangenlinie oder eine Zickzacklinie als Kontur erhalten, indem V-förmige Rillen in die Oberfläche geschnitten werden. Weiterhin würde, falls ein dünnwandiger keramischer Zylinder geschmolzen werden könnte, dessen Oberfläche Wellen aus kreisbogenförmigen oder anderen Abschnitten hätte, und die gewellte Oberfläche mit supraleitendem Material auf einer oder auf beiden Seiten beschichtet würde, dadurch ein vergrößerter Querschnitt erzielt werden und gleichzeitig eine wirkungsvolle Kühlung ermöglicht werden.
In einer weiteren Alternative könnte das supraleitende Material auf einen gewellten Metallzylinder aufgetragen werden, falls der Metallzylinder einen ausreichend hohen Widerstand hätte.
Die beschriebenen Ausführungsformen erhöhen wirksam den Querschnitt der Supraleitung durch Vergrößerung seiner Länge (innerhalb der gleichen Gesamtlänge) ohne seine Dicke zu vergrößern.
Wird nun die Theorie zu der oben aufgezeigten Konstruktion betrachtet, dann ist das Gestaltungskriterium für die abschirmende Flußdichte BP, daß die gesamten Ampere- Windungen pro Meter im Supraleiter genau gleich groß aber entgegen gerichtet zu den Ampere-Windungen pro Meter in der primären Wicklung sind. Wenn BP nicht eingehalten wird, tritt ein Teil des Flusses oder der ganze Fluß in den Eisenkern ein.
Die maximale Flußdichte, die vom Supraleiter abgeschirmt wird, ist gegeben durch:
BP = u&sub0;JCt (T)(T)
worin
u&sub0; = 4π · 10&supmin;&sup7; (Hm&supmin;1)
= kritische Stromdichte des Supraleiters (Am&supmin;²)
t = Dicke des supraleitenden Überzugs (m)
Es ist zu erkennen, daß das Produkt JC t (Am&supmin;¹) den Grad der Abschirmung kontrolliert und weiterhin, daß BP ebenfalls eine beeinflussende Größe bei der Bestimmung des für eine spezifische Induktivität notwendigen Volumens VI für den Eisenkerns ist.
worin
IF = Fehlerstrom in der primären Wicklung (A)
VF = Spannung längs der SCFCL im Fehlerfall (V)
BS = Flußdichte im Eisenkern (T)
ω = 2π · Frequenz (Rad)
BP und somit JC t sollten groß sein für kleine VI.
Der derzeitige Stand bei HTS, die auf ein Substrat als Überzug aufgetragen sind, ist derart, daß der JC0 Wert sich mit zunehmender Dicke der Schicht verschlechtert. Zudem wird eine dünne Schicht von HTS erforderlich, um kurze Schaltzeiten abzusichern und um abzusichern, daß ein Temperaturanstieg während der Fehlerbedingung unter Kontrolle bleibt, ohne daß es erforderlich ist, eine schützende Stromunterbrechung wirken zu lassen, damit das Durchbrennen verhindert wird.
Ein wünschenswerter JC t Wert von 2 · 10&sup4; Am&supmin;¹ oder darüber ist erforderlich bei einer Dicke des Überzugs von 50-100 um. Folglich werden JC Werte von 5 · 10&sup9; - 1 · 10¹&sup0; Am&supmin;² angestrebt. Derzeit sind JC Werte von dieser Größenordnung in HTS Material bei 77K nur möglich für sehr dünne Schichten (< 1 um).
Die Erfindung bietet ein Vorgehen, durch welches das gewünschte Produkt JC t tatsächlich erreicht werden kann, während gleichzeitig die Bedingung an die Dicke des Überzugs < 100 um eingehalten wird.
Die Bedeutung der Anordnung in Fig. 2 eines Supraleiters auf einem Substrat besteht darin, daß die "wirksame Dicke" t des Supraleiters darin sich der Größe des Ringquerschnitts der Scheibe annähert. Dadurch kann das erforderliche Produkt Je t erreicht werden für ein Material mit einem verhältnismäßig kleinen JC Wert indem der Ringquerschnitt vergrößert wird. Weiterhin kann die tatsächliche Dicke der supraleitenden Schicht unterhalb von 100 um gehalten werden, wie es zum Zweck der Kühlung und für Schaltzwecke erforderlich ist.
Weiterer Nutzen ergibt sich aus diesem Entwurf mit "Scheiben" im Hinblick auf die Fertigung. Massenfertigung von Dickfilmsupraleitern auf Substrat könnte vereinfacht werden in Bezug auf die Erfordernisse beim Auftragen und bei den Schmelzöfen.
Die Herstellung eines induktiven SCFCL durch einen Stapel von ringförmigem Subtstratmaterial mit einem dicken HTS Überzug wird als ausreichend angesehen, eine angemessene Abschirmung des magnetischen Flusses zu leisten, selbst wenn J~ nur einen bescheidenen Wert hat. Sogar vor dem derzeitigen Entwicklungsstand bieten die erreichbaren Stromdichten (< 10&sup7; Am&supmin;² für dicke Filme) die Möglichkeit, jetzt einen SCFCL in großen Abmessungen zu fertigen.
Der oben beschriebene Entwurf mit Verbindung zu Fig. 2 verwendet direkte Kühlung durch das Umwälzen von einem flüssigen Gas zwischen den Scheiben 4. In einem alternativen Verfahren wird ein Gas-Kryo-Kühler verwendet. In diesem Verfahren wird eine Wärmebrücke (engl.: heat shunt) in engem Kontakt mit den zu kühlenden Scheiben angeordnet und das von den Scheiben abgewandte Ende der Wärmebrücke wird durch ein kaltes Gas gekühlt - z. B. durch Helium. Die Wärmebrücke kann in Form einer Scheibe ausgeführt sein, die als ein Distanzstück zwischen den supraleitend beschichteten Scheiben 4 wirkt. Diese Wärmebrücke erstreckt sich vorzugsweise in radialer Richtung über die Scheiben 4 hinaus, um einen guten Zutritt des Kühlgases zu erlauben. Geeignete Materialien für die Wärmebrücke sind Alaunerde, Rubin oder Diamant, die alle gute thermische Leitfähigkeit und schwache elektrische Leitfähigkeit aufweisen.

Claims

1. Eine induktive supraleitende Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung, aufweisend eine primäre Wicklung für den Fehlerstrom (1), eine sekundäre Wicklung (2) in Form eines supraleitenden Zylinders und einen ferromagnetischen Kreis (3), der sowohl an die primäre als auch an die sekundäre Wicklung gekoppelt ist, wobei die primäre und die sekundäre Wicklung so angeordnet sind, daß sie im wesentlichen eine Auslöschung des primären Flusses in dem ferromagnetischen Kreis für den Fall der Supraleitung in der sekundären Wicklung bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Zylinder ein Substrat umfaßt mit Abschnitten (4) daran, die sich zur Seite in Bezug auf die Längsachse des Zylinders erstrecken, wobei die Abschnitte (4) einen Überzug aus einem supraleitenden Material tragen.

2. Eine Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung nach Anspruch 1, worin mindestens einige dieser Abschnitte (4) frei liegende Oberflächen sind, die einer Kühlflüssigkeit ermöglichen, mit dem supraleitenden Überzug in Kontakt zu treten.

3. Eine Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die Abschnitte einen Stapel von scheibenförmigen Einzelteilen (4), die mit supraleitendem Material auf beiden Seiten beschichtet sind, umfassen.

4. Eine Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung nach Anspruch 3, worin die scheibenförmigen Einzelteile (4) sich der Reihe nach mit Distanzstücken (6) abwechseln, um der Kühlflüssigkeit den Kontakt mit dem supraleitenden Überzügen zu gestatten.

5. Eine Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung nach Anspruch 3, worin die scheibenförmigen Einzelteile (4) sich der Reihe nach mit Distanzstücken aus thermisch leitfähigem und elektrisch isolierendem Material abwechseln, und diese Distanzstücke in eine Kühlflüssigkeit hinein ragen.

6. Eine Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung nach Anspruch 3 bis 5, worin die scheibenförmigen Einzelteile (4) auf einem röhrenförmigen mit supraleitendem Material beschichteten Substrat (5) angebracht sind.

7. Eine Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Substrat Zirkonium ist.

8. Eine Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das Substrat ein Zylinder mit einer gerippten äußeren Oberfläche ist.

9. Eine Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das Substrat von im wesentlichen einheitlicher Dicke und von gewellter Form ist.

10. Eine Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der supraleitende Zylinder und die primäre Wicklung an der gleichen Stelle auf dem ferromagnetischen Kreis angeordnet sind.

11. Eine Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung nach Anspruch 10, worin der supraleitende Zylinder innerhalb der Primärwicklung angeordnet ist.

12. Eine Anordnung zur Fehlerstrombegrenzung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin der supraleitende Zylinder und die primäre Wicklung an verschiedenen Stellen des ferromagnetischen Kreises angeordnet sind.