WO1999025050A1 - Strombegrenzereinrichtung für schaltnetze - Google Patents

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WO1999025050A1
WO1999025050A1 PCT/DE1998/003382 DE9803382W WO9925050A1 WO 1999025050 A1 WO1999025050 A1 WO 1999025050A1 DE 9803382 W DE9803382 W DE 9803382W WO 9925050 A1 WO9925050 A1 WO 9925050A1
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Stefan Fischer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
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    • H10N60/355—Power cryotrons
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to a current limiter device for switching networks, in particular low and medium voltage technology, for energy supply and distribution.
  • circuit breakers In the low and medium voltage networks, air and gas-insulated circuit breakers have been used for energy supply and distribution. The switching on and off of these circuit breakers depends on the prevailing currents in the different operating states. For safety reasons, the energy supply and distribution is interrupted when certain current values are exceeded in the nominal current operating state and in the short-circuit operating state.
  • the circuit breakers which are usually equipped with mechanical drives, are controlled by tripping devices that monitor the current conditions in the supply networks and initiate the interruption when predetermined limit values are exceeded.
  • the triggering devices are increasingly implemented by electronic components which terminate the operating states identified as defective in a relatively short time, so that damage to the supply networks and the distribution systems connected to them are largely restricted.
  • the measure of the switch-off time from the supply network is therefore a directly proportional reference value for the design of the current-carrying capacity of each individual system component in the supply circuit.
  • Siemens EV report 3/97 it is proposed to use so-called high-temperature superconducting current limiters to limit the short-circuit current stress on the system components in the event of a fault. These limit the short-circuit current, for example, by a transition from the superconducting to the normal-conducting state, well before the first peak value of the short-circuit current is reached.
  • the inductive current limiters are basically formed by a transformer, in which a shield made of superconducting material separates the magnetic field between the two transformer windings. If the current and thus the magnetic field increases, the shielding loses its ability to separate the magnetic field between the windings. The resulting impedance of the devices thus limits the amount of current flowing.
  • the superconducting current limiters are switched directly into the current path of the switching network. If the current exceeds a limit value, the superconductor loses its superconducting property, which results in an increase in the effective resistance. Due to this increase in resistance, the current flowing through is also automatically limited. With appropriate dimensioning, current limiters of this type can therefore also be used to maintain the maximum permissible current loads for the respective switching networks. According to the requirements for the corresponding permissible current loads and the sensitivity, the
  • the object on which the invention is based is to provide the current limiters for switching networks, in particular low and medium voltage technology, which can be adapted to the particular conditions at the place of use with simple means without the known properties being restricted. According to the invention, this is due to the features
  • the current limiter device is formed by a current limiting element containing high-temperature superconducting material
  • the current limiting element is arranged in a closed nitrogen container provided with an exhaust gas valve and completely surrounded by liquid nitrogen,
  • the nitrogen tank contains a gas space above the liquid nitrogen, in which a heat exchanger device is arranged, 1.4 the heat exchanger device is connected to a refrigeration machine device, 1.5 the refrigeration machine device is controllable in such a way that the heat exchanger device recondenses the gaseous nitrogen which forms in the gas space due to the penetrating heat . it is arranged in the closed nitrogen container
  • the current limiter device cools down again to the superconducting state if the heat generation due to excessively high currents such as overcurrents and short circuit currents can no longer take place due to the interruption of the energy supply.
  • the output of the refrigerating machine device can be regulated by a pressure measuring device which detects the pressure in the gas space.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides feature 3.1, the output of the power of the refrigerating machine device can be controlled by a temperature measuring device arranged in the liquid nitrogen of the nitrogen tank.
  • the feature is also to increase the safety standard of such switching networks
  • the nitrogen tank is provided with a burst protection device.
  • the invention is explained in more detail by an embodiment in which the structure of a possible embodiment of a resistive current limiter device is shown schematically.
  • the current limiter device is essentially formed from the current limiting element SE, which is arranged in the closed nitrogen container SB.
  • the nitrogen tank SB is filled with liquid nitrogen FN in such a way that a gas space GR can form above the liquid nitrogen FN.
  • the current limiting element SE is completely surrounded by the liquid nitrogen FN.
  • the heat exchanger device WT which is connected to the chiller device KM, is positioned in the gas space GR of the nitrogen container SB. Furthermore, it can be seen that the temperature measuring device TM is located in the liquid nitrogen f FN, which influences the refrigerating machine device KM with its output variable.
  • the nitrogen tank SB is also provided with the exhaust valve VA via which the gaseous one
  • Nitrogen GN which is formed when the liquid nitrogen FN is filled, can be removed from the nitrogen tank SB.
  • the current limiter device is equipped with the pressure measuring device DM, the output variable of which also contributes to the control of the refrigerating machine device KM.
  • the current limiter device is inserted directly into the circuit of the switching network (not shown) via the connections of the resistive current limiting element SE, which are not shown, and which are arranged outside the nitrogen tank SB.
  • Adapting these switching operations to the different operational and local conditions of the switching networks is practically achieved by regulating the cooling capacity of the refrigerating machine device KM by temperature and / or pressure control by means of the temperature measuring device TM and / or the pressure measuring device DM.
  • the current limiting element SE heats up appropriately when a current value in the overcurrent and in the short-circuit current is exceeded, the liquid nitrogen FN is evaporated and condenses on the heat exchanger device WT. This process can be detected both by the temperature measuring device TM and by the pressure measuring device DM and is used directly to control the delivery of the cooling capacity of the refrigerating machine device KM.
  • the heat exchanger device WT is cooled in such a way that the gaseous nitrogen GN in the gas space GR is converted back into the liquid state.
  • the current limiting element SE is cooled again to the original temperature of the liquid nitrogen FN. This means that on the one hand cold losses, which u. a. caused by the externally supplied power connections are always corrected without influencing the existing currents in the switching networks.
  • current interruptions due to the change in the effective resistance of the current Bounding element SE automatically terminates during the transition from the superconducting to the normal conducting state as soon as the fault - exceeding the permissible overcurrent or the presence of the short-circuit current - is no longer present. With the elimination of the fault, the original operating state - the power supply of the consumers connected to the switching network - is automatically restored without manual intervention.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzereinrichtung für Schaltnetze, insbesondere der Nieder- und Mittelspannungstechnik, zur Energieversorgung und -verteilung. Die Strombegrenzereinrichtung ist durch ein hochtemperatursupraleitendes Material enthaltenes Strombegrenzungselement (SE) gebildet, das in einem geschlossenen Stickstoffbehälter (SB) mit einem Abgasventil (VA) angeordnet ist, wobei das Strombegrenzungselement (SE) vollständig von flüssigem Stickstoff (FN) umgeben ist und bei seiner Erwärmung gasförmigen Stickstoff (GN) bildet, der an einer Wärmetauschereinrichtung (WT) durch geregelte Einwirkung einer Kältemaschineneinrichtung (KM) wieder zu flüssigem Stickstoff (FN) rekondensiert. Derartige Strombegrenzereinrichtungen werden in Schaltnetzen zur Begrenzung von Überströmen und Kurzschlußströmen eingesetzt.

Description

Beschreibung
Strombegrenzereinrichtung für Schaltnetze
Die Erfindung betrifft eine Strotnbegrenzereinrichtung für Schaltnetze, insbesondere der Nieder- und Mittelspannungstechnik, zur Energieversorgung und -Verteilung.
In den Nieder- und Mittelspannungsnetzen sind bisher zur Energieversorgung und -Verteilung luft- und gasisolierte Leistungsschalter eingesetzt. Das Ein- und Ausschalten dieser Leistungsschalter ist abhängig von den jeweils herrschenden Strömen bei den unterschiedlichen Betriebszuständen. Aus Sicherheitsgründen wird die Energieversorgung und -Verteilung beim Überschreiten bestimmter Stromwerte im Nennstrombe- triebszustand und im KurzSchlußbetriebszustand unterbrochen. Die Leistungsschalter, die in der Regel mittels mechanischer Antriebe ausgestattet sind, werden von Auslόseeinrichtungen gesteuert, die die vorhandenen Stromverhältnisse in den Ver- sorgungsnetzen überwachen und beim Überschreiten von vorgegebenen Grenzwerten die Unterbrechung einleiten. Die Auslöseeinrichtungen sind zunehmend durch elektronische Bauelemente realisiert, die die als fehlerhaft erkannten Be- triebszustände in relativ kurzer Zeit beenden, so daß Beschä- digungen der Versorgungsnetze und der daran angeschalteten Verteilanlagen weitestgehend eingeschränkt sind. Das Maß der Abschaltzeit vom Versorgungsnetz ist also eine direkt proportionale Bezuggröße zur Auslegung der strotnmäßi- gen Belastbarkeit jeder einzelnen im Versorgungskreislauf be- findlichen Anlagenkomponente. Im Siemens EV-Report 3/97 ist vorgeschlagen, zur Begrenzung der Kurzschlußstrombeanspruchung der Anlagenkomponenten im Fehlerfall sogenannte hochtemperatursupraleitende Strombegrenzer einzusetzen. Diese begrenzen beispielsweise den Kurz- schlußstrom durch einen Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand noch weit vor Erreichen des ersten Scheitelwertes des Kurzschlußstromes. Besondere Maßnahmen zur Erkennung des Kurzschlußstromfehlers sind hier nicht vorzusehen, da der Kurzschlußstrom durch die Erwärmung des supralei- tenden Materials selbst zu einem Überschreiten der kritischen Temperatur und damit durch Erhöhung des wirksamen Widerstands zum Übergang in den normalleitenden Zustand führt. Im Zusammenhang mit hochtemperatursupraleitenden Strombegrenzern sind zwei Arten der technischen Realisierung bekannt: die resistiven Strombegrenzer und die induktiven Strombegrenzer.
Die induktiven Strombegrenzer sind im Prinzip durch einen Transformator gebildet, bei denen eine Schirmung aus supraleitenden Material das magnetische Feld zwischen beiden Transformatorwicklungen trennt. Steigt der Strom und damit das magnetische Feld, so verliert die Schirmung ihre Fähigkeit, das Magnetfeld zwischen den Wicklungen zu trennen. Die dadurch wirksam werdende Impedanz der Geräte begrenzt damit die Höhe des fließenden Stromes. Bei resistiver Bauart werden die supraleitenden Strombegrenzer direkt in den Strompfad des Schaltnetzes geschaltet. Überschreitet der Strom einen Grenzwert, so verliert der Supraleiter seine supraleitende Eigenschaft, was eine Erhöhung des wirksamen Widerstands zur Folge hat . Bedingt durch diese Widerstandserhöhung wird auch hier der durchfließende Strom automatisch begrenzt. Bei entsprechender Dimensionierung sind derartige Strombegrenzer daher auch zur Einhaltung der für die jeweiligen Schaltnetze maximal zulässigen Strombelastungen einsetzbar. Entsprechend den Anforderungen an die entsprechend zulässigen Strombelastungen und der Ansprechempfindlichkeit sind die
Strombegrenzer für eine feste Temperatur ausgelegt, die meist von der Flüssigsticksto f-Temperatur bei Atmosphäredruck ausgeht. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die Strombegrenzer für Schaltnetze, insbesondere der Nieder- und Mittelspannungstechnik, vorzusehen, die mit einfachen Mitteln an die jeweiligen Verhältnisse am Einsatzort angepaßt werden können ohne daß Einschränkungen der bekannten Eigenschaften hinzunehmen sind. Erfindungsgemäß wird dies durch der Merkmale
1.1 die Strombegrenzereinrichtung ist durch ein hochtempera- tursupraleitendes Material enthaltendes Stro begren- zungselelment gebildet,
1.2 das Strombegrenzungselement ist in einem geschlossenen, mit einem Abgasventil versehenen Stickstoffbehäter angeordnet und vollständig vom flüssigen Stickstoff umgeben,
1.3 der Stickstoffbehälter enthält oberhalb des flüssigen Stickstoffs einen Gasraum, in dem eine Wärmetauschereinrichtung angeordnet ist, 1.4 die Wärmetauschereinrichtung ist mit einer Kältemaschineneinrichtung verbunden, 1.5 die Kältemaschineneinrichtung ist derart steuerbar, daß die Wärmetauschereinrichtung den sich wegen eindringender Wärme bildenden gasförmigen Stickstoff im Gasraum rekondensiert, erreicht. it dem im geschlossenen Stickstof fbehälter angeordnetem
Strombegrenzungselement , das dort vollständig vom f lüssigen Stickstof f umgeben ist , kann in Verbindung mit der von der Kältemaschineneinrichtung bedarf sweise gekühlten Wärmetau- schereinrichtung eine bestimmte Betriebstemperatur gehalten werden . Dies bedeutet , daß zum einen die hauptsächlich über die Stromzuführungen in den Stickstof fbehälter eindringende Wärme und der sich dadurch bildende gasförmige Stickstoff über die sogenannte Kaltfläche der Wärmetauschereinrichtung rekondensiert wird und als flüssiger Stickstoff wieder zur geregelten Kühlung des Strombegrenzungselement beitragen kann . Zum anderen ergibt sich nach der Erwärmung des Strombegrenzungselementes und dem dadurch entstehenden normalleitenden Zustand ein zeitabhängiges erneutes Abkühlen der Strombe- grenzereinrichtung in den supraleitenden Zustand, sofern die Wärmeentstehung durch unzulässig überhöhte Ströme , wie Überströme und Kurzschlußströme wegen der Unterbrechung der Energiezufuhr nicht mehr stattfinden kann .
Beide Auswirkungen tragen dazu bei , daß die bekannten Eigen- schatten dieser hochtemperatursupraleitenden Strombegrenzer praktisch einstellbar geworden sind . Dies bedeutet , daß die Strombegrenzungselemente gleichen Typs , d . h . , mit definierten Materialeigenschaften und gleicher Geometrie, mit unterschiedlichen Stromwerten und Ansprechströmen einsetzbar sind . Darüber hinaus sind ohne Austausch der Strombegrenzungselemente Anpassungen an sich ändernde Schaltnetzverhältnisse möglich und können direkt vom Betreiber der Schaltnetze durch geeignete Steuerungsvorgänge realisiert werden . Ein Bedarf zur Anpassung könnte beispielsweise bei der Änderung des An- sprechstromes wegen saisonal unterschiedlicher Netzbelastungen im Sommer- und Winterbetrieb gegeben sein . Auch das Vor- handensein von Schaltnetzkomponenten , wie Filterkreise , große
Motoren etc . , die kurzzeitig Überströme im Versorgungsnetz verursachen, die j edoch nicht - da noch zulässig - zum Wirksamwerden der Strombegrenzungselemente führen dürfen .
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Merkmal
2.1 die Abgabe der Leistung der Kältemaschineneinrichtung ist durch eine den Druck im Gasraum erfassende Druck- meßeinrichtung regelbar, vor.
Damit läßt sich in sehr einfacher Weise die Kältemaschineneinrichtung zur Abgabe der notwendigen Kühlleistung für die Wärmetauschereinrichtung steuern.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Merkmal 3.1 die Abgabe der Leistung der Kältemaschineneinrichtung ist durch eine im flüssigen Stickstoff des Stickstoffbehälters angeordnete Temperaturmeßeinrichtung steuerbar, vor.
Mit dieser Maßnahme, die sowohl alternativ als auch fakultativ zu den voran aufgeführten Maßnahmen getroffen werden kann, ist der Regelvorgang zur Einstellung der jeweils gewünschten Betriebsparameter zusätzlich verbessert.
Zur Erhöhung des Sicherheitstandards derartiger Schaltnetze ist darüber hinaus das Merkmal
4.1 der Stickstoffbehälter ist mit einer Berstschutzeinrichtung versehen, vorgesehen. ie Erf indung wird durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert , in dem der Aufbau einer möglichen Aus führungs form einer resistiven Strombegrenzereinrichtung schematisch dargestellt ist .
Die Strombegrenzereinrichtung ist im wesentlichen aus dem Strombegrenzungselement SE gebildet , das in dem geschlossenen Stickstoffbehälter SB angeordnet ist . Der Stickstoffbehälter SB ist derart mit flüssigen Stickstoff FN gefüllt , daß sich über dem flüssigen Stickstoff FN ein Gasraum GR bilden kann . Dabei ist das Strombegrenzungselement SE vollständig von dem flüssigen Stickstoff FN umgeben . Im Gasraum GR des St ick - stof fbehälters SB ist die Wärmetauschereinrichtung WT positioniert , die mit der Kältemaschineneinrichtung KM in Verbin- düng steht . Desweiteren ist ersichtlich, daß sich im flüssigen Stickstof f FN die Temperaturmeßeinrichtung TM bef indet , die mit ihrer Ausgangsgröße die Kältemaschineneinrichtung KM beeinflußt . Neben der aus Sicherheitsgründen vorgesehenen Berstschutzeinrichtung BS ist der Stickstoffbehälter SB noch mit dem Abgasventil VA versehen, über das der gasförmige
Stickstoff GN, der sich bereits beim Einfüllen des flüssigen Stickstoff s FN bildet , aus den Stickstoffbehälter SB abgeführt werden kann . Zusätzlich ist die Strombegrenzereinrichtung mit der Druckmeßeinrichtung DM ausgestattet , deren Aus- gangsgröße ebenfalls zur Steuerung der Kältemaschineneineinrichtung KM beiträgt . Über die nicht bezeichneten Anschlüsse des resistiven Strombegrenzungselementes SE, die außerhalb des Stickstoffbehälters SB angeordnet sind, wird die Strombegrenzereinrichtung direkt in den Stromkreis des nicht darge- stellten Schaltnetzes eingefügt . ie bekannte Funktionsweise des hochtemperatursupraleitenden
Strombegrenzungselement SE , bei einer bestimmten Erwärmung vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand umzuschal ten, wird bei den Schaltnetzen also in der Weise genutzt , daß Überströme und Kurzschlußstrδme frühzeitig noch vor ihrer vollen Wirksamkeit auf die in den Schaltnetzen vorhandenen Schaltkomponenten erkannt und durch eine schnelle Stromunterbrechung unwirksam geschaltet werden .
Diese Schaltvorgänge an die unterschiedlichen betrieblichen und örtlichen Verhältnisse der Schaltnetze anzupassen, wird praktisch durch die Regelung der Kühlleistung der Kältemaschineneinrichtung KM durch Temperatur- und/oder Drucksteuerung mittels der Temperaturmeßeinrichtung TM und/oder der Druckmeßeinrichtung DM erreicht . Sobald sich beim Überschrei - ten eines Stromwertes beim Überstrom und beim Kurzschlußstrom das Strombegrenzungselement SE entsprechend erwärmt , wird der flüssige Stickstoff FN verdampft und schlägt sich als Kondensat an der Wärmetauschereinrichtung WT nieder . Dieser Vorgang ist sowohl durch die Temperaturmeßeinrichtung TM als auch durch die Druckmeßeinrichtung DM erfaßbar und dient direkt zur Steuerung der Abgabe der Kälteleistung der Kältemaschineneinrichtung KM. Die Wärmetauschereinrichtung WT wird dadurch derart abgekühlt , daß der gasförmige Stickstoff GN im Gasraum GR wieder in den flüssigen Zustand überführt wird . Das Strombegrenzungselement SE wird wieder auf die ursprüngliche Temperatur des flüssigen Stickstoffs FN abgekühlt . Dies bedeutet, daß einerseits Kälteverluste, die u . a . durch die von außen zugeführten Stromanschlüsse verursacht werden, ohne Beeinflussung der bestehenden Ströme in den Schaltnetzen stets ausgeregelt werden . Andererseits sind Stromunterbrechungen durch die Veränderung des Wirkwiderstands des Strom- begrenzungselementes SE beim Übergang von den supraleitenden in den normalleitenden Zustand automatisch beendet, sobald der Störfall - Überschreiten des zulässigen Überstromes bzw. Vorliegen des Kurzschlußstromes - nicht mehr vorliegt. Mit der Beseitigung des Störfalles wird automatisch ohne manuellen Eingriff der ursprüngliche Betriebszustand - die Energieversorgung der am Schaltnetz angeschalteten Verbraucher - wieder hergestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Strombegrenzereinrichtung für Schaltnetze, insbesondere der Nieder- und Mittelspannungstechnik, zur Energieversorgung und -Verteilung, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Merkmale l.l die Strotnbegrenzereinrichtung ist durch ein hochtempera- tur- supraleitendes Material enthaltendes Strombegren- zungselement (SE) gebildet, 1.2 das Strombegrenzungselement (SE) ist in einem geschlossenen, mit einem Abgasventil (VA) versehenen Stickstoff - behälter (SB) angeordnet und vollständig vom flüssigen Stickstoff (FN) umgeben,
1.3 der Stickstoffbehälter (SB) enthält oberhalb des flüssi- gen Stickstoffs (FN) einen Gasraum (GR) , in dem eine
Wärmetauschereinrichtung (WT) angeordnet ist,
1.4 die Wärmetauschereinrichtung (WT) ist mit einer Kältemaschineneinrichtung (KM) verbunden,
1.5 die Kältemaschineneinrichtung (KM) ist derart steuerbar, daß die Wärmetauschereinrichtung (WT) den sich wegen eindringender Wärme bildenden gasförmigen Stickstoff (GN) im Gasraum (GR) rekondensiert .
2. Strombegrenzereinrichtung für Schaltnetze nach Patentan- spruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h das Merkmal
2.1 die Abgabe der Leistung der Kältemaschineneinrichtung
(KM) ist durch eine den Druck im Gasraum (GR) erfassende Druckmeßeinrichtung (DM) regelbar.
3. Strotnbegrenzereinrichtung für Schaltnetze nach Patentanspruch l und den Patentansprüchen l und 2, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h das Merkmal 3.1 die Abgabe der Leistung der Kältemaschineneinrichtung (KM) ist durch eine im flüssigen Stickstoff (FN) des
Stickstoffbehälters (SB) angeordnete Temperaturmeßeinrichtung (TM) steuerbar.
4. Strombegrenzereinrichtung für Schaltnetze nach Patentan- spruch 1 und einem der nachfolgenden Patentansprüche 2 und 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Merkmale 4.1 der Stickstoffbehälter ist mit einer Berstschutzeinrichtung (BS) versehen.
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