Beschreibung Supraleitungseinrichtung mit einer resistiven Strombegren- zereinheit unter Verwendung von Hoch-Tc-Supraleitermaterial Die Erfindung bezieht sich auf eine Supraleitungseinrichtung mit mindestens einer resistiven Strombegrenzereinheit, die wenigstens eine für einen Nennstrom ausgelegte Leiterbahn aufweist, welche Hoch-Tc-Supraleitermaterial enthält, von einem Kältemittel auf Betriebstemperatur zu kühlen ist und an ihren Enden mit Anschlussleitern verbunden ist. Eine entspre- chende Supraleitungseinrichtung geht aus der EP 0 829 101 Bl hervor.

In elektrischen Wechselstromversorgungsnetzen können Kurz- schlüsse und elektrische Überschläge nicht mit Sicherheit vermieden werden. Dabei steigt der Wechselstrom im betroffe- nen Stromkreis sehr schnell, d. h. innerhalb der ersten Halb- welle, auf ein Vielfaches seines Nennwertes an, bis er durch geeignete Sicherungs-und/oder Schaltmittel unterbrochen wird. Als Folge davon treten in allen betroffenen Netzkompo- nenten wie Leitungen, Sammelschienen, Schaltern und Transfor- matoren erhebliche thermische sowie mechanische Belastungen durch Stromkräfte auf. Da diese kurzzeitigen Lasten mit dem Quadrat des Stromes zunehmen, kann eine sichere Begrenzung' des Kurzschlussstromes auf einen niedrigeren Spitzenwert die Anforderungen an die Belastungsfähigkeit dieser Netzkomponen- ten erheblich reduzieren. Dadurch lassen sich Kostenvorteile erreichen, etwa beim Aufbau neuer als auch beim Ausbau beste- hender Netze, indem durch einen Einbau von Strombegrenzerein- heiten ein Austausch von Netzkomponenten gegen höher belast- bare Ausführungsformen vermieden werden kann.

Mit supraleitenden Strombegrenzereinheiten vom resistiven Typ kann in an sich bekannter Weise der Stromanstieg nach einem Kurzschluss auf einen Wert von wenigen Vielfachen des Nenn- stromes begrenzt werden. Darüber hinaus ist eine solche

Begrenzereinheit kurze Zeit nach Abschaltung wieder betriebs- bereit. Sie wirkt also wie eine schnelle, selbstheilende Si- cherung. Dabei gewährleistet sie eine hohe Betriebssicher- heit, da sie passiv wirkt, d. h. autonom ohne vorherige Detek- tion des Kurzschlusses und ohne aktive Auslösung durch ein Schaltsignal arbeitet.

Resistive supraleitende Strombegrenzereinheiten der eingangs genannten Art bilden eine seriell in einen Stromkreis z. B. mit einem Transformator einzufügende supraleitende Schalt- strecke. Dabei wird der Übergang mindestens einer supralei- tenden Leiterbahn vom praktisch widerstandslosen kalten Be- triebszustand unterhalb der Sprungtemperatur Tc des verwende- ten Supraleitermaterials in den normalleitenden Zustand über Tc hinaus (sogenannter"Quench") ausgenutzt, wobei der nun vorhandene elektrische Widerstand Rn der Leiterbahn den Strom auf eine akzeptable Höhe I=U/Rn begrenzt. Die Erwärmung über Tc geschieht durch Joule'sche Wärme in dem Supraleiter der Leiterbahn selbst, wenn nach Kurzschluss die Stromdichte j über den kritischen Wert je des Supraleitermaterials an- steigt. Dabei kann das Material auch unterhalb von Tc bereits einen endlichen elektrischen Widerstand annehmen. Im begren- zenden Zustand oberhalb von Tc fließt in dem Stromkreis ein vorteilhaft verminderter Reststrom solange weiter, bis der Stromkreis z. B. mittels eines zusätzlichen mechanischen Trennschalters völlig unterbrochen wird.

Supraleitende Strombegrenzereinheiten mit bekannten metallo- xidischen Hoch-Tc-Supraleitermaterialien (sogenannten"HTS"- Materialien), deren Tc so hoch liegt, dass sie mit flüssigem Stickstoff (LN2) von höchstens 77 K im supraleitenden Be- triebszustand zu halten sind, zeigen eine schnelle Zunahme des elektrischen Widerstandes beim Überschreiten von je. Die Erwärmung in den normalleitenden Zustand und somit die Strom- begrenzung geschehen dabei in hinreichend kurzer Zeit, so dass der Spitzenwert eines Kurzschlussstromes auf einen Bruchteil des unbegrenzten Stromes, etwa auf den 3-bis

10fachen Wert des Nennstromes begrenzt werden kann. Der sup- raleitende Strompfad sollte dabei in gut-wärmeleitendem Kon- takt mit einem geeigneten Kältemittel stehen, das ihn in ver- hältnismäßig kurzer Zeit nach Überschreitung von je in den supraleitenden Betriebszustand wieder zurückzuführen vermag.

Mit der aus der eingangs genannten EP-B-Schrift zu entnehmen- den Strombegrenzereinheit sind entsprechende Anforderungen zu erfüllen. Die bekannte Einrichtung weist einen Trägerkörper aus einem elektrisch isolierenden Material wie z. B. aus Y- stabilisiertem ZrO2 (sogenanntem"YSZ") oder aus Glas auf, auf welchem unmittelbar oder über mindestens eine Zwischen- schicht ein metalloxidisches HTS-Material in Form einer zu mindestens einer Leiterbahn strukturierten Schicht-aufge- bracht ist. Die Leiterbahn kann dabei insbesondere als Mäan- der gestaltet sein (vgl. EP 0 523 374 B1). An ihren Enden ist die Leiterbahn der bekannten Begrenzereinheit mit weiteren, normalleitenden Anschlussleitern zur Einspeisung bzw. Abnahme des zu begrenzenden Stromes großflächig mittels Lot-, Press- oder Federkontakten kontaktierbar.

All diese bekannten supraleitenden Strombegrenzereinheiten erfordern jeweils einen eigenen Kryostaten, um das Supralei- termaterial ihrer mindestens einen Leiterbahn auf der erfor- derlichen Tieftemperatur, insbesondere der LN2-Temperatur, zu halten. Ihre beiden zur Stromzu-bzw.-ableitung dienenden Anschlussleiter führen dann jeweils von der Tieftemperatur auf Raumtemperatur. Damit sind entsprechende Wärmeeinlei- tungsverluste in dem Kryostaten verbunden. Soll nun eine ent- sprechende Strombegrenzereinheit in den Stromkreis einer HTS- Material enthaltenden Wicklung oder Spule integriert werden, so geschieht das nach dem Stand der Technik im Bereich der warmen Teile der Anschlussleiter dieser Wicklung. Folglich sind bei einer entsprechenden HTS-Einrichtung mit einer HTS- Strombegrenzereinheit und einer HTS-Wicklung pro Phase für die Strombegrenzereinheit und die Wicklung jeweils zwei Stromzuführungen mit Übergang zwischen Raumtemperatur und

Tieftemperatur erforderlich. Der diesbezügliche Kältemit- telaufwand aufgrund von Wärmeleitungsverlusten der erforder- lichen Kryostaten ist dementsprechend hoch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den Kälte- mittelaufwand einer solchen Supraleitungseinrichtung zu ver- ringern.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnah- men gelöst. Die Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung weist folglich mindestens eine resistive Strombegrenzerein- heit mit wenigstens einer für einen Nennstrom ausgelegten Leiterbahn auf, welche Hoch-Tc-Supraleitermaterial enthält und an ihren Enden mit Anschlussleitern'verbunden ist, ferner. mindestens eine Wicklung mit wenigstens einem Leiter auf, welcher Hoch-Tc-Supraleitermaterial enthält, sowie ein Kälte- mittel zur Kühlung der supraleitenden Teile der Einrichtung auf mindestens eine Betriebstemperatur auf. Dabei soll die Strombegrenzereinheit auf Kältemittelniveau über ihre An- schlussleiter in den Stromkreis der Wicklung unter Ausbildung einer Serienschaltung integriert sein.

Die mit dieser Ausgestaltung der Supraleitungseinrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass ihre Strombegrenzereinheit keine eigenen Stromzuführungen mit Übergang zwischen Raumtemperatur und Tieftemperatur erfordert und deshalb der Kältemittelbedarf entsprechend begrenzt ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen her- vor.

So können insbesondere die Wicklung und die Begrenzereinheit in einem gemeinsamen Kryostatengefäß angeordnet sein, das zwei Kältemittelräume enthält, in denen die Wicklung bzw. die Begrenzereinheit untergebracht sind. Dies hat den Vorteil,

dass sich in den Kältemittelräumen unterschiedliche Tempera- turniveau einstellen können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Kältemittel in dem Kältemittelraum der Wicklung sich auf einem tieferen Tempera- turniveau befindet als das Kältemittel in dem Kältemittelraum der Begrenzereinheit. Vorzugsweise sollten sich dabei der Kältemittelraum der Wicklung und der Kältemittelraum der Begrenzereinheit zumindest annähernd auf gleichem Druck (un- ter Einschluss von Abweichungen des Drucks im Kältemittelraum der Begrenzereinheit von dem Druck in dem Kältemittelraum der Wicklung um maximal 10 %) befinden. Auf diese Weise kann die in der Wicklung in Folge von Wechselstromverlusten des Supraleiters entstehende Verlustwärme durch Konvektion abge- führt werden, ohne dass es zu einer unerwünschten Gasbildung durch entsprechendes Verdampfen kommt. So lässt sich eine durch Gasblasen verursachte Verminderung der elektrischen Spannungsfestigkeit, die insbesondere bei Betrieb mit hoher Spannung zu fordern ist, vermeiden.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Kältemittelräume unterein- ander in einer Kältemittelverbindung stehen. Denn damit ist vorteilhaft ein Austausch des Kältemittels zwischen den bei- den eventuell auf differierendem Temperaturniveau befindli- chen Kältemittelräumen ermöglicht.

Aus den vorgenannten Gründen können vorteilhaft die Kältemit- telräume bis auf eine eventuell vorgesehene Kältemittelver- bindung durch eine wärmeisolierende Wand thermisch getrennt sein.

Darüber hinaus können vorteilhaft magnetische Abschirmmittel zur feldmäßigen Abschirmung der Wicklung von der zugeordneten Begrenzereinheit vorgesehen sein, um so eine feldmäßige Be- einflussung der stromführenden Leiterbahn der Begrenzerein- heit durch die Wicklung zu unterbinden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung sind aus den restlichen Ansprüchen und der Zeichnung zu entnehmen.

Zur ergänzenden Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in der schematisch bevor- zugte Ausführungsformen von Supraleitungseinrichtungen nach der Erfindung veranschaulicht sind. Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung deren Figur 1 einen supraleitenden Transformator mit einer ersten supraleitenden Strombegrenzereinheit in Schrägan- sicht, Figur 2 diesen Transformator mit einer zweiten Strombegrenze- reinheit in entsprechender Ansicht sowie Figur 3 eine supraleitende Wicklung mit einer anderen supra- leitenden Strombegrenzereinheit in Schnittansicht.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile jeweils mit den- selben Bezugszeichen versehen.

Bei der mindestens einen supraleitenden Wicklung der erfin- dungsgemäßen Supraleitungseinrichtung kann es sich insbeson- dere um die Primär-oder Sekundärwicklung eines supraleiten- den Transformators handeln (vgl. z. B. WO 00/16350 A).

Ebenso kann die supraleitende Wicklung eine Drosselspulen- wicklung (vgl. z. B. EP 0 440 664 B1) oder die Wicklung eines sonstigen Magneten (vgl. z. B. US 5,168,259 A), beispielsweise einer supraleitenden Glättungsdrossel im Gleichstrompfad eines halbleitergesteuerten Frequenzumrichters oder eines Gleichrichters sein. In dem Stromkreis dieser mindestens einen Wicklung soll mindestens eine resistive Strombegrenze- reinheit integriert sein. Im allgemeinen wird sich diese Ein- heit an mindestens einer der Anschlussseiten der Wicklung be- finden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Wicklung in min- destens zwei Teilwicklungen unterteilt ist und die Strom- begrenzereinheit in dem Verbindungsbereich zwischen diesen beiden Teilwicklungen angeordnet wird. Selbstverständlich

können auch mehrere Strombegrenzereinheiten beispielsweise auf jeder Anschlussseite einer Wicklung vorgesehen werden.

Dabei sind die Wicklung bzw. Teilwicklungen und die ihr zuge- ordnete mindestens eine Strombegrenzereinheit seriell zusam- mengeschaltet. Für die Supraleitungseinrichtung nach der Er- findung geeignete Strombegrenzereinrichtungen sind prinzi- piell bekannt (vgl. z. B. EP 0 829 101 B1 oder die EP 0 345 767 B1).

Als Leitermaterial für die supraleitenden Teile der Supralei- tungseinrichtung nach der Erfindung kann dasselbe HTS- Material oder können auch verschiedene Materialien eingesetzt werden. So kann z. B. die mindestens eine Leiterbahn der Strombegrenzereinheit mit YBa2Cu30x-Supraleitermaterial er- stellt werden, während für den mindestens einen Leiter der Wicklung (Bi, Pb) 2Sr2Ca2Cu3Oy-Material gewählt wird. Die kon- krete Wahl unterschiedlicher Materialien hängt z. B. von den Herstellungsprozessen der einzelnen Teile ab oder wird wegen unterschiedlicher Sprungtemperaturen der Materialien bevor- zugt bei unterschiedlichen Temperaturniveaus der Betriebstem- peraturen dieser Teile vorgesehen.

In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform einer Supralei- tungseinrichtung nach der Erfindung angedeutet. Diese allge- mein mit 2 bezeichnete Einrichtung enthält einen HTS- Transformator 3 mit Primär-und Sekundärwicklung 4 bzw. 5.

Diese Wicklungen umschließen sich konzentrisch und einen mittleren Jochsteg 6a eines flussführenden Magnetjochs 6 aus weichmagnetischem Material. Ferner ist eine HTS-Strombegren- zereinheit 7 mit mehreren hintereinander geschalteten Begren- zerplatten 8i (vgl. die genannte EP 0 829 101 B1) vorgesehen, die jeweils mindestens eine für einen Nennstrom I ausgelegte HTS-Leiterbahn L aufweisen. Die Begrenzereinheit ist an ihren Leiterbahnenden E1 und E2 mit Anschlussleitern 9a und 9b ver- bunden. Sie ist über diese Anschlussleiter in den Stromkreis z. B. der Primärwicklung 4 integriert.

Der Transformator 3 und die. Strombegrenzereinheit 7 befinden sich zusammen mit dem von den Wicklungen 4 und 5 umschlosse- nen Teil des mittleren Jochsteg 6a in einem gemeinsamen Kry- ostatengefäß 10. In dieses Gefäß wird ein von einer Kältema- schine 11 geliefertes Kältemittel KM eingespeist. Stattdessen kann auch ein in dem Kryostatengehäuse befindliches Kältemit- tel K über einen Kaltkopf einer entsprechenden Kältemaschine auf einem geforderten Temperaturniveau T zu halten sein. Mit- hilfe des Kältemittels KM werden die supraleitenden Teile der Supraleitungseinrichtung 2 im Betriebszustand auf das Tempe- raturniveau T unterhalb der Sprungtemperatur des jeweils ver- wendeten HTS-Materials gekühlt.

Wie aus Figur 1 zu entnehmen ist, sind für die Primärwicklung 4 (einschließlich der mit ihr verschalteten Strombegrenze- reinheit 7) sowie für die Sekundärwicklung 5 vorteilhaft je- weils nur zwei Stromzuführungen 12a, 12b bzw. 13a, 13b mit Temperaturübergängen von der Tieftemperatur T des Kältemit- tels KM auf Raumtemperatur RT erforderlich. Isolatoren dieser Stromzuführungen, die wegen der Durchführung durch auf Erdpo- tential liegende Teile des Kryostatengehäuses 10 benötigt werden, sind mit 14 bezeichnet.

Die in Figur 2 dargestellte, allgemein mit 16 bezeichnete Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung unterscheidet sich von der Einrichtung 2 nach Figur 1 im wesentlichen nur durch eine andere Ausführungsform ihrer Strombegrenzereinheit 17. Diese Einheit wird hier aus mehreren hintereinander ge- schalteten Stäben oder Rohren 18i gebildet. Diese Rohre be- stehen insbesondere aus schmelztexturiertem HTS-Material wie YBa2Cu3Ox mit einer vorbestimmten kritischen Stromdichte je (ohne Feld bei 77 K) von mindestens 5 103 A/cm2. Die Rohre 18i sind an endseitigen Anschluss-oder Endkappen 19i kontak- tiert.

Die aus Figur 3 entnehmbare Supraleitungseinrichtung 20 nach der Erfindung umfasst ein Kryostatengefäß 21 mit zwei Kälte-

mittelräumen 22 und 23. Die beiden Kältemittelräume 22 und 23 können dabei gemeinsam in dem Kryostatengefäß nebeneinander angeordnet sein, wobei sie durch eine Trennwand getrennt sind. Gemäß der dargestellten Ausführungsform kann in dem Kryostatengefäß 21 der Kältemittelraum 22 aber auch den Käl- temittelraum 23 umschließen. Selbstverständlich ist auch eine Ausführungsform möglich, bei der umgekehrt der Kältemittel- raum 23 den Kältemittelraum 22 umgibt. Der Kältemittelraum 22 dient zur Aufnahme mindestens einer HTS-Wicklung 25 bei- spielsweise eines Transformators oder einer Drosselspule. In ihm wird ein Kältemittel KM1, beispielsweise LN2, von einer Kältemaschine 11 auf einem vorbestimmten Temperaturniveau T1 unterhalb der Sprungtemperatur des HTS-Materials der Wick- lungsleiter gehalten. Vorzugsweise liegt das Temperaturniveau T1 deutlich (z. B. 5 bis 10 K) unter der Siedetemperatur des Kältemittels KM1 (von 77 K für LN2). Der Kältemittelraum 23 dient zur Aufnahme einer Strombegrenzereinheit 27. Die min- destens eine, beispielsweise mäanderförmige HTS-Leiterbahn L dieser Einheit wird mittels eines Kältemittels KM2 auf einem Temperaturniveau T2 gehalten. Dieses Temperaturniveau liegt über dem von T1, insbesondere auf der Siedetemperatur des LN2 von etwa 77 K. Zur thermischen Trennung der beiden Kältemit- telräume ist der Kältemittelraum 23 von dem Kältemittelraum 22 durch eine wärmeisolierende Trennwand 28, beispielsweise eine Doppelwand mit Vakuum-und/oder Schaumstoffisolierung, getrennt. Die Kältemittel KM1 und KM2 in den beiden Kältemit- telräumen 22 und 23 sind untereinander über einen Verbin- dungskanal 29 verbunden. Außerdem ist eine Stromdurchführung 30 durch die Wand 28 vorgesehen, um die elektrische Hinter- einanderschaltung von Wicklung 25 und Strombegrenzereinheit 27 zu ermöglichen. Der elektrische Leiter dieser Stromdurch- führung kann aus normalleitendem Material oder aus HTS- Material bestehen. Aus dem Kältemittelraum 23 führt ein Ga- sauslass 32 nach außen, über den Abgas des Kältemittels KM2 abzuführen ist. Auf Grund dieser Anordnung des Gasauslasses ist auch zu gewährleisten, dass sich eine Kältemittelströmung vom auf T1 gehaltenen Kältemittelraum 22 zum auf T2 > T1 lie-

genden Kältemittelraum 23 einstellt. In der Figur sind ferner noch die beiden für die Hintereinanderschaltung von Strombe- grenzereinrichtung 27 und Wicklung 25 erforderlichen, nach außen führenden Stromzuführungen 12a und 13a mit ihren Isola- toren 14 angedeutet.

Über die vorstehend erläuterten Ausführungsformen einzelner Supraleitungseinrichtungen 2,16,20 nach der Erfindung an Hand der Figuren hinaus können magnetische Abschirmmittel z. B. in Form von Blechen vorgesehen werden, um so eine feld- mäßige Beeinflussung der supraleitenden Wicklung seitens der in den Leiterbahnen der Strombegrenzereinrichtung geführten Ströme zu unterbinden.

Statt der Wahl von LN2 als Kältemittel KM, KM1 und KM2 sind selbstverständlich auch andere Kältemittel wie z. B. LNe, LHe oder GHe möglich, um das mindestens eine in der Supralei- tungseinrichtung nach der Erfindung verwendete Hoch-Tc- Supraleitermaterial auf der Betriebstemperatur dieses Materi- als zu halten. Das Kältemittel braucht dabei nicht unbedingt flüssig bzw. siedend zu sein (wie im Fall einer Verwendung von GHe). Gegebenenfalls ist auch statt der für die Ausfüh- rungsbeispiele angenommenen Badkühlung eine forcierte Kühlung möglich. Dies gilt insbesondere für den Fall einer Verwendung von GHe.