Resistive HTSL Strombegrenzer

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1 Resistive HTSL Strombegrenzer R., W. Schmidt, R.-R. Volkmar Siemens AG, Erlangen/Berlin Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-

2 Inhalt Motivation Prinzip des resistiven HTSL-Strombegrenzers Konzepte Demonstratoren Netzeinsatz Anforderungen Zusammenfassung Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-2

3 Motivation für HTSL-Strombegrenzer Heute müssen Netze und Betriebsmittel für den im Fehlerfall auftretenden KS-Strom dimensioniert werden, eine Begrenzung der KS-Ströme ermöglicht Kosteneinsparungen Der weiterhin wachsende Bedarf an elektrischer Energie zusammen mit dem Kostendruck aus Deregulierung und Privatisierung führt zu höherer Ausnutzung der Netze, höherer Vernetzung und damit höheren KS-Strömen Konventionelle Mittel der KS-Strombegrenzung haben Nachteile: Drosseln, Trafos: Spannungsfall im Betrieb, Verluste, Erhöhung Netzinnenwiderstand (Spannungsqualität) Netzauftrennung: Einschränkungen im Betrieb, Versorgungszuverlässigkeit Explosions-Sicherung: nicht eigensicher, nicht selbstregenerierend, betriebliche Nachteile HTSL-Strombegrenzer verbinden durch ihre Materialeigenschaften niedrigen Netzinnenwiderstand mit niedrigen KS-Strömen, sind eigensicher und selbstregenerierend Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-3

4 Prinzip des resistiven HTSL-Strombegrenzers Modell eines HTSL-Strombegrenzers Kaltkopf Durchführung Kompressor R/R n Flüssigstickstoffbad I/I c T/T c Plattenleiterpaket Vakuumisolierter Edelstahlbehälter Normalbetrieb: R SB = I n < I c = j c x q Begrenzung: q: HTSL-Querschnittsfläche R SB ~, x U n /I n Normalbetrieb HTSL supraleitend HTSL quencht Nennstrom Kurzschluss HTSL normalleitend unbegrenzter Kurzschlussstro m mit HTSL- Strombegrenze r Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-4

5 Konzepte resistiver HTSL-Strombegrenzer Materialdaten / Herstellungsprozess Massivmaterial / Dickschichten BSCCO Dünnschichten YBCO Stromdichte jc [A/cm²] Schichtdicke d [µm] ,... Spannung je Länge U/l [V/cm] AC-Verluste P SZF <,2 P SZF HTSL Materialeinsatz hoch sehr niedrig Herstellungsverfahren Guß- und Schmelzprozesse, zeitintensiv, rel. einfach Vakuum- Abscheideverfahren, rel. aufwändig Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-5

6 Konzepte resistiver HTSL-Strombegrenzer Netzrückwirkungen normalized current I / I c 5 j c : 2.4* 4 A/cm² 4.4* 5 A/cm² 3* 6 A/cm² I c -I c YBCO / YSZ-substrate Ag / YBCO / YSZ buffer / YSZ substrate Au / YBCO / sapphire substrate time (ms) Zeit [ms] Spitzenstrom und begrenzter Strom abhängig von der Stromdichte des HTSL-Materials Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-6

7 Konzepte resistiver HTSL-Strombegrenzer Netzrückwirkungen Massivmaterial / Dickschichten BSCCO Dünnschichten YBCO Peakstrom I p /I c Begrenzter Strom I b /I c ,... Überspannungen unkritisch unkritisch Ansprechverhalten rel. langsam schnell Empfindlichkeit auf Transiente niedrig rel. hoch Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-7

8 Konzepte resistiver HTSL-Strombegrenzer Zusammenfassung Massivmaterial / Dickschichten BSCCO Dünnschichten YBCO Herstellungskosten HTSL vergleichbar Begrenzungsverhalten + Verluste + Kosten Kältetechnik - Betriebskosten - Demonstratoren 6,4 MVA -phasig ABB,25 MVA 3-phasig Siemens Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-8

9 Demonstratoren Aufbau HTSL-Leiter YBCO/Au: thermisches Coverdampfen (TCE), in situ Stromdichte: jc = 2,5 MA/cm² Strukturierung zu einer Leiterbahn (Meander oder Spirale) Modularer Aufbau ermöglicht Anpassung an Strom und Spannung Parallelschaltung von Platten zu Modulen für Nennstrom des SB Serienschaltung von Modulen für Nennspannung des SB Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-9

10 Demonstratoren Versuchsaufbau Safety switch Air core reactor Transformer Generator Making switch Backup switch Test Object Shunt Load U BS U Load Prüfspannung 7,2 kv Nennspannung 7,2 kv Prüfstrom 5,3 ka Nennstrom A Prüfungen -phasig, φ = º, 9º Nennleistung,25 MVA 3-phasig, φ = º... 8º Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-

11 Demonstratoren Messungen -phasig U_TO_R kv kv A I_TO_R A MVA -45 P_TO_R 3 MW Spannung Strom Leistung U_TO_R kv kv A I_TO_R MVA -45 P_TO_R 4 MW Zeit in ms Zeit in ms Schalten im Spannungsmaximum I peak = 4 A (2,8 x I n ) I peak = 35 A I b = 8 A (,6 x I n ) I b = 8 A U max = 35 % U max = % Schalten im Spannungsnulldurchga Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-

12 Demonstratoren Messungen 3-phasig U_TO_R U_TO_S U_TO_T kv kv A I_TO_R I_TO_S I_TO_T Strom A MVA-45 4P_TO_R Leistung P_TO_S P_TO_T MW Spannung U_TO_R U_TO_S U_TO_T kv kv A I_TO_R I_TO_S I_TO_T 45 A MVA-45 4 P_TO_R P_TO_S P_TO_T MW Zeit in ms Zeit in ms Schalten bzgl. Phase R I peak = 4 A (2,8 x I n ) I peak = 4 A I b = 8 A (,6 x I n ) I b = 8 A U max = 65 % U max = 22 % Schalten -5 bzgl. Phase R Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-2

13 Anwendungen Keine Erhöhung der Kurzschluss-Ströme bei kv Netzerweiterungen Netzkupplung Kraftwerkeinspeisungen kv kv G G HTSL-Strombegrenzer Einsatz bei supraleitenden Betriebsmitteln Weitere Vorteile Verbesserung der Spannungsqualität Verlustreduktion Verbesserung der Versorgungssicherheit Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-3

14 Anwendungen Neue Netzkonzepte mit begrenzten KS-Strömen Ersatz von Leistungsschaltern durch optimierte Lastschalttechnik Einsatz von neuen kommunikativen Schutzkonzepten Anwendung bei Neubau von Netzen Zubau von Netzgruppen kv kv kv HTSL-Strombegrenzer Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-4

15 Anforderungen an HTSL-Strombegrenzer unkritische Überspannungen selbst regenerierend schnelle Wiederverfügbarkeit eigensicher integrierbar in bestehende Netze geringe Verluste wartungsarm Lebensdauer kompatibel mit heutigen Anlagen Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-5

16 Zusammenfassung Resistive HTSL-Strombegrenzer sind neue Betriebsmittel, die die Performance und die Flexibilität von bestehenden Anlagen und Systemen erhöhen können und neue Anlagenkonzepte ermöglichen Resitive HTSL-Strombegrenzer sind technisch machbar, der Nachweis ist für verschiedene Konzepte durch -phasige und 3-phasige Demonstratoren erbracht Eine Anwendung in der Mittelspannung und Hochspannung ist erkennbar Weitere Entwicklung ist notwendig bzgl. Homogenität des HTSL Leitermaterials Kosten des HTSL Leitermaterials Kältetechnik Die wirtschaftliche Machbarkeit hängt ab von den Kosten für Supraleitermaterial und Kältetechnik sowie vom Marktvolumen Energietechnik für die Zukunft - ETG Kongress 2, Nürnberg PTD-M C FCL /-6