Supraleitende Kabelsysteme

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1 Supraleitende Kabelsysteme

2 Supraleiteraktivitäten bei Nexans Halden Paris (Frankreich) Hauptstandort Hürth (Deutschland) Strombegrenzer, Materialien Paris Cossonay Calais Hürth Hannover Hannover (Deutschland) Kabel-Kryostat und Prüffeld Halden (Norwegen) Kabelfertigung Calais (Frankreich) Endverschlüsse Cossonay (Schweiz) Kabel-Garnituren 2

3 Kabeldesign Flüssiger Stickstoff als Kühlmittel HTS Tape Kupferkern Hochspannungsisolierung HTS-Schirm Kupferschirm Äußeres Wellrohr Inneres Wellrohr 3

4 Kabeldesign Aufbau mit drei konzentrischen Phasen für kompakte Mittelspannungskabel Flexibles SuperPoLi-Design Kein externes Feld im symmetrischen Betrieb 3 Leiter mit 120 Phasenwinkel Identische Strombeträge 4

5 Kabellegung/Systemdesign 3 Leiter in einem Kryostaten 3 separate Leiter Konzentrische Leiter 5

6 HTS Kabelsystem Aufbau und Kühlung Endverschlüsse stellen Verbindung zwischen HTS- Kabel und übrigem Hochspannungsnetz dar und dienen zum Anschluss an die Kühlanlage Rücklauf Vorlauf Kühlanlage LN 2 Tank 6

7 Eigenschaften von Supraleiterkabeln Geringerer Platzbedarf Kabel sind thermisch unabhängig, da aktiv gekühlt Hohe Übertragungsleistung ENDESA Kabel: 111 MVA bei 20 kv LIPA-Kabel: 574 MVA bei 138 kv Keine externen Magnetfelder Höhere Effizienz 7

8 Supraleiter und Kabelfertigung BSCCO (1G) wird immer mehr durch YBCO (2G) verdrängt Standardabmessung von 4,5 0,4 mm wird durch beidseitige Laminierung von Metallbändern erreicht 1. Generation HTS tape Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O Generation HTS tape Mechanische Stabilisierung Keine Veränderung des Designs oder der Fertigung der Kabel notwendig YBa 2 Cu 3 O 7 Supraleiterkabel-Fertigung auf leicht modifizierten konventionellen Maschinen 8

9 Aufbau eines flexiblen Kryostaten Korrugierte Wellrohre: Nexans UNIWEMA -Technologie Biegeradius muss ökonomischen Transport der Kabel/Kryostaten ermöglichen 1. Korrugiertes Wellrohr 2. Spacer 3. Superisolierung 4. Vakuum 5. Korrugiertes Wellrohr 6. PE-Außenmantel 9

10 Kabel-Kryostat Nexans ist Weltmarktführer in der Herstellung flexibler Kryostate Aufbau Längs geschweißte und gewellte ineinanderliegende Edelstahl-Rohre Superisolierung (Alu-beschichtete Folien und Vlies) zwischen den Rohren Abstandshalter mit niedriger Wärmeleitfähigkeit Vakuum (<10-5 mbar) PE-Ummantelung (optional) Qualitätskontrolle Helium-Lecktest mit hoher Empfindlichkeit Vakuum für lange Zeit garantiert 10

11 Garnituren für Supraleiterkabel Endverschluss Übergang von Supraleiter auf Normalleiter und von Tieftemperatur auf Raumtemperatur Schnittstelle zum Energieversorgungsnetz Schnittstelle zur Kühlanlage Muffe 'Field Joint' Einzelne Kabelabschnitte werden während der Installation durch Muffen verbunden Ggf. Schnittstelle zu Kühlstation bei langen Systemlängen 11

12 Kabelprojekte: LIPA LIPA 1: Demonstration der Technologie 138 kv Kabel, 2,4 ka Nennstrom, 574 MVA; seit 2008 in Betrieb BSCCO (1G) Supraleiter LIPA 2: Demonstration eines 'kommerziellen Systems' Gleiche Parameter, aber YBCO (2G) Supraleiter Retrofit einer LIPA 1 Phase mit 2G Kabel Demonstration der Reparierbarkeit des Kryostaten Demonstration einer Muffe (Field Joint) 12

13 LIPA Holbrook substation LIPA 1 Weltweit erste Installation eines Hochspannungs-HTS Kabels im Netz Kenndaten 138 kv, 2400 A, 574 MVA Kurzschlussstrom: 51 ka für 200 ms Länge: 600 m 155 km HTS-Tape Aufbau: Kaltes Dielektrikum Lieferumfang Drei 600 m lange einphasige Kabel Sechs 138 kv Freiluftendverschlüsse Ein Kühlsystem Installation/Inbetriebnahme 2007/2008 Switching Station 600 Meter Holbrook Substation 13

14 Kabel- und Endverschlussprüfung Testprogramm mit dem US Department of Energy und Projektpartnern abgestimmt Testprogramm basiert größtenteils auf vorhandenen Normen 190 kv, 30 min, < 5 pc 650 kv Blitzstoß Prüffeld in Hannover Elektrische Parameter Wechselspannung: Blitzstoß: Wechselstrom: Gleichstrom: 350 kv, 2 A 1,2 MV, 60 kj 4 ka 10 ka Kühlanlage Temperatur: Massenstrom: Betriebsdruck: K g/s bis zu 15 bar 14

15 He-Lecktest und Transport Kabeltrommel mit Überbreite He-Lecktest des Kryostaten 15

16 Installation des Kabels 60 m 1,2 m Einziehen des Kabels Kabeltrasse mit PE-Rohren 16

17 Kabelsystem Kühlgebäude Nordende 17

18 LIPA 2 HTS Kabelsystem Existing Terminations Replacement 2G Phase SCADA Power Heat Field Joint Return Redundant Cooling & Control Bulk LN 2 Storage Supply Retrofit des existierenden Kabels mit einer 600 m Kabellänge YBCO statt BSCCO Optimierter Kabelkryostat Field Joint 18

19 Hochspannungsmuffe Muffe für 138 kv wird im Rahmen von LIPA 2 demonstriert Erweiterung des Kabelsystems für beliebige Längen Abmessungen des Muffenkryostaten Länge: ~ 2.6m Aussendurchmesser: ~ 350mm 19

20 Reparierbarer Kabelkryostat Optimierung der Vakuumsektionslänge Entwicklung von Vakuumbarrieren und Schweißkupplungen Verifizierung der Funktionstüchtigkeit reparierter Kabelkryostate: Mechanische Beschädigung plus Wasserschaden Reparatur Wärmeverlustmessung Funktionstüchtigkeit reparierter Kabelkryostate demonstriert! 20

21 Kabelprojekte: ENDESA ENDESA Supercable 3,2 ka Mittelspannungskabel 111 MVA bei 20 kv Erhöhung der Transportleistung ohne Erhöhung der Systemspannung Rigoroses Testprogramm analog zu konventionellen Kabeln Hochspannungstests Lastwechselversuche 21

22 Erfolgreiche Hochspannungs- und Lastwechselversuche 20 kv nominal, 3200 A nominal Umfangreiches Testprotokoll Erfolgreicher Lastwechselversuch angelehnt an Testprotokolle konventioneller Kabel, basierend auf IEC /IEC

23 Kabeltests Hochspannungsversuche Wechselstrom und Blitzstoß Inklusive Tan Delta und TE (basierend auf 20 kv Normen) Kritischer Strom der Phasenlagen Verifikation des Fertigungsprozesses Lastwechsel Wechselstromverluste 23

24 Lastwechselversuch Erfolgreicher Lastwechselversuch: Zehn 24-Stunden-Zyklen Spannung (2 U 0 ) immer angelegt 3,2 ka für 8 h mit 16 h Pause zwischen den Zyklen Voltage and Currents during 24 h Load Cycle 3500 Cable Current Current in A Cable Voltage Voltage in kv :48 21:36 2:24 7:12 12:00 16:

25 Kurzschlussstromverhalten 35 ka, 200 ms Kurzschluss führt zu maximaler Kabeltemperatur von 85 K Designkriterium: Maximale Temperatur im Kabel geringer als LN2 Siedepunkt Kabel kann mit ~ 2.5 bar Betriebsdruck betrieben werden 90.0 Temperaturanstieg beim Kurzschluss Kabeltemperatur (K) Kurzschlussdauer (ms) 25

26 DC-Supraleiterkabel Bisherige Supraleiterkabelentwicklung fast ausschliesslich für Wechselstromanwendungen Mit Zunahme konventioneller Gleichstromanwendungen steigt Interesse an Supraleitungs-Gleichstromkabeln Vorteile von Supraleiter-Gleichstromkabeln: Höchste Effizienz Geringe Investitionskosten Geringer Platzbedarf 26

27 DC-Supraleiterkabel: Tres Amigas Tres Amigas soll die drei asynchronen amerikanischen Interconnects (Eastern, Western, Texas Interconnections) mittels HGÜ verbinden Redundanz durch Dreieckskonfiguration Anfänglich 5 GW Übertragungsleistung Inbetriebnahme

28 Tres Amigas Quelle: 28

29 Windenergie und Übertragungsnetz in Amerika 29

30 Nexans Deutschland GmbH Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 30