Supraleitende Strombegrenzer für Verteilungsnetze unrestricted Siemens AG All rights reserved
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1 Siemens Corporate Technology Juni 2015 Dr.-Ing. Chr. Schacherer Supraleitende Strombegrenzer für Verteilungsnetze unrestricted Siemens AG All rights reserved
2 Das Dilemma der Kurzschlussleistung in Energieversorgungsnetzen Kurzschlussleistung Geringe Impedanz im Nennbetrieb Schnelle Begrenzung von Kurzschlussströmen Automatische Rückstellung in den Normalbetrieb Netzimpedanz Lösung Zustandsabhängige Impedanz Heutige Lösungen Normal Betrieb Konstante (hohe) Impedanz im normal Betrieb und im Kurzschlussfall Trennen von Kupplungen Transformatoren mit hoher Kurzschlussspannung Kurzschlussbegrenzungsdrosselspulen Fehlerzustand Page 2 Juni 2015 Corporate Technology Dr. Christian Schacherer unrestricted Siemens AG All rights reserved
3 Die Spannung am Strombegrenzer wird durch das Strombegrenzungsverhältnis bestimmt Die Anforderungen im Begrenzungsfall bestimmen wesentlich das Begrenzungskonzept Kurzschluss ohne Begrenzer U = I 0 sczso Kurzschluss mit Begrenzer U = I Z + 0 lim( so Zlim) Unbegrenzter Kurzschlussstrom I sc U = I FCL lim Z lim Begrenzter Strom I lim Erdschluss (einfach/doppelt) Hochohmiger / niederohmiger Kurzschluss Staffelzeiten Page 3 Juni 2015 Corporate Technology Dr. Christian Schacherer unrestricted Siemens AG All rights reserved
4 Wichtige Konzepte von supraleitenden Strombegrenzern Schlüsselkomponenten supraleitender Strombegrenzer: Kryostat Kühlversorgung (Arbeitstemperatur 77 K) mit geschlossenem oder offenem Kreislauf Resistiver Typ Shunt impedance Kompaktes Design Hohe Begrenzungsfähigkeit Supraleitendes Material Superconducting element Verluste durch Stromzuführungen Kurze Rückkühlzeit Shielded (Iron) Core Optionaler Eisenkern HTS-Abschirmspulen Netzanschluss Keine Stromzuführungen Keine Hochspannung im Kryostat Größe und Gewicht Saturated Iron Core Netzanschluss Eisenkern HTS-Sättigungsmagnet Keine AC-Verluste im Supraleiter Keine Rückkühlzeit Größe und Gewicht Vergleichsweise geringe Begrenzungsfähigkeit Page 4 Juni 2015 Corporate Technology Dr. Christian Schacherer unrestricted Siemens AG All rights reserved
5 Eigensichere Begrenzung von Kurzschlussströmen und reduzierte Anforderungen an Betriebsmittel Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile von supraleitenden Strombegrenzern in Energienetzen Längs- und Querkopplung von Sammelschienen Abgänge, Anschluss von Generatoren, Motoren und Transformatoren Gerätespezifische Vorteile Intrinsische Begrenzung des Stoßkurzschlussstroms Selbsttätiges Rücksetzen Nicht brennbar / keine Explosivstoffe Modularer Aufbau Keine Impedanz und Harmonische im Normalbetrieb Systemspezifische Vorteile Umfassender Schutz und reduzierte mechanische Belastung verbundener Betriebsmittel Geringere Anforderung an Leistungsschalter Steigerung der und Erhöhung redundanter Einspeisung (n-x Kriterium) Keine oder kurze Unterbrechungszeiten Page 5 Juni 2015 Corporate Technology Dr. Christian Schacherer unrestricted Siemens AG All rights reserved
6 Resistive Strombegrenzer ermöglichen eine hohe Flexibilität in der Auslegung Standard Konfiguration Hohe Begrenzungsfähigkeit Rein resistive Begrenzung (Phasenverschiebung) Unterbrechung zur Rückstellung Konfiguration mit paralleler Impedanz Kosteneffizient Hohe Kurzschlussstromtragfähigkeit Kurze Rückstellzeiten Unterbrechungsfreie Rückstellung Page 6 Juni 2015 Corporate Technology Dr. Christian Schacherer unrestricted Siemens AG All rights reserved
7 Feldtest einer verlustarmen Netzanbindung mit HTS- Strombegrenzern im Netz der Stadtwerke Augsburg Supraleitender Kurzschlussstrombegrenzer (SFCL) für die Stadtwerke Augsburg Energie GmbH Projekt und technologischer Hintergrund Integration des erweiterten Prüffelds für Blockheizkraftwerke (BHKW) der MTU erfordert deutliche Verringerung des Kurzschlussstroms Kombination eines supraleitenden Kurzschlussstrombegrenzers mit schnellem Leistungsschalter und paralleler Drosselspule MTU Onsite Energy GmbH Aufstellort des Strombegrenzers Projektziel und Vorteile/Nutzen Design, Bau und Langzeit-Feldtest eines 15 MVA SFCL-Demonstrators Verringerung der Verluste im Vergleich zu konventioneller Lösung mit Drosselspule Erhöhung der Netzstabilität Vermeidung eines großflächigen Leistungsschalteraustauschs Umspannwerk Lechhausen (Augsburg) Quelle: Google Maps Page 7 Juni 2015 Corporate Technology Dr. Christian Schacherer unrestricted Siemens AG All rights reserved
8 Kompaktes SFCL-Design durch ultraschnelle Fehlererkennung und Abschaltung Schematischer Netzplan kv - Netz Vereinfachtes Betriebskonzept des supraleitenden Strombegrenzers (SFCL) Netztrafo 40 MVA 110/10 kv Umspannwerk Lechhausen Normalbetrieb: I = I Nenn = I 1 Drosselspule 10-kV-Schaltfelder SFCL MTU Onsite Energy GmbH : G SFCL 10-kV-Netz Augsburg BHKW-Prüffeld G Betrieb mit Kurzschlussstrom: I = I k,cl = I 1 + I 2 Drosselspule Beispiel eines supraleitenden Strombegrenzers (8.4 kv / 3.6 MVA) SFCL Strombegrenzung nachdem CB1 geöffnet: I = I k,cl = I 2 Drosselspule SFCL CB1: Leistungsschalter SFCL: Supraleitender Strombegrenzer Page 8 Juni 2015 Corporate Technology Dr. Christian Schacherer unrestricted Siemens AG All rights reserved
9 SmartCoil - Projektübersicht SmartCoil Impedanzveränderliche Kurzschlussstrombegrenzungsdrosselspule Kryostat Anschluss der Primärspule LN2 Supraleitende Abschirmspulen Primärspule Magnetfeldverlauf im Normalbetrieb Projektprofil Dauer: 09/ /2017 Projektvolumen ~ 2 4 EUR Gefördert durch das BMWi Projektpartner: Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Siemens AG Projektkurzbeschreibung Entwicklung und Demonstration einer neuartigen nichtlinearen Drosselspule (10 kv / 600 A einphasig) Das Konzept nutz supraleitende Kurzschlussspulen zur Reduktion der Drosselspulenimpedanz im Normalbetrieb Gute Strombegrenzungsfähigkeit Das Konzept ist prinzipiell geeignet zur Nachrüstung bestehender Anlagen Page 9 Juni 2015 Corporate Technology Dr. Christian Schacherer unrestricted Siemens AG All rights reserved
10 SmartCoil Spezifikationen Spezifikation (einphasig) Scheinleistung S SSB Spannung U SSB Strom I D Frequenz f n Begrenzungszeit Spannungshub zwischen Begrenzung und Normalbetrieb (Z b /Z n ) 3,46 MVA 5,774 kv 600 A 50 Hz 100 ms > 4 Elektrisches Ersatzschaltbild Impedanz Begrenzung: Auslegung SSB Begrenzung z b SSB Normalbetrieb z n 1,8 mh 0,39 mh Impedanz Normalbetrieb: Quelle: Oliver Näckel, KIT, Conceptual Design Study of an Air Coil Superconducting Fault Current Limiter, Applied Superconductivity Conference (ASC) 2012, Portland Page 10 Juni 2015 Corporate Technology Dr. Christian Schacherer unrestricted Siemens AG All rights reserved
11 SmartCoil - Einflussparameter Schematische Schnittzeichnung von SmartCoil mit ausgewählten Designparametern 3 1 Abstand zwischen Primärspule und Abschirmeinsatz 2 Spulenhöhe 3 Höhenunterschied zwischen Primärspule und Abschirmeinsatz Spalt zwischen den Windungen im Abschirmeinsatz 6 5 Breite der Primärspule Kritischer Strom / Stabilisierung Windungszahl, Nennstrom y 5 x Primärspule Abschirmeinsatz (HTS-Leiter) Page 11 Juni 2015 Corporate Technology Dr. Christian Schacherer unrestricted Siemens AG All rights reserved
12 Beispielhaft der Einfluss der Stabilisierungsdicke (Leitfähigkeit) des HTS-Leiters auf die Begrenzungsfähigkeit in einem ansonsten gegebenen System B Drossel ohne Abschirmeinsatz mit Abschirmeinsatz Hub als Funktion der Stabilisierungsdicke Page 12 Juni 2015 Corporate Technology Dr. Christian Schacherer unrestricted Siemens AG All rights reserved
13 Dr.-Ing. Christian Schacherer Senior Key Research Scientist CT RTC PET SUC-DE Günther-Scharowsky-Str Erlangen Germany Phone: +49 (9131) Fax: +49 (9131) christian.schacherer@siemens.com intranet.ct.siemens.com Page 13 Juni 2015 Corporate Technology Dr. Christian Schacherer unrestricted Siemens AG All rights reserved
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