Bewertung des Kurzschlussstrom- Ausschaltvermögens von Mittelspannungs- Vakuumschaltröhren in flüssigem Stickstoff Masterthesis Markus Wenzel Wirtschaftsingenieurwesen Elektro- und Informationstechnik
Bewertung des Kurzschlussstrom-Ausschaltvermögens von Mittelspannungs-Vakuumschaltröhren in flüssigem Stickstoff Masterthesis Markus Wenzel Matrikelnummer: 1416567 Studiengang: MSc. Wirtschaftsingenieurwesen Elektro- und Informationstechnik Eingereicht: 31.08.2015 Betreuer: Dipl.-Ing. Karsten Golde Co-Betreuer: Dipl.-Ing. Alexander Feilbach Prof. Dr.-Ing. Volker Hinrichsen Fachgebiet Hochspannungstechnik Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik Technische Universität Darmstadt Landgraf-Georg-Str. 4 64283 Darmstadt
Ehrenwörtliche Erklärung Ich erkläre hiermit ehrenwörtlich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig angefertigt habe. Sämtliche aus fremden Quellen direkt oder indirekt übernommenen Gedanken sind als solche kenntlich gemacht. Die Arbeit wurde bisher keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegt und noch nicht veröffentlicht. Darmstadt, den 31.08.2015 Markus Wenzel
Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis... II Tabellenverzeichnis... III Abkürzungsverzeichnis... IV 1 Einleitung... 1 2 Grundlagen... 3 2.1 Schalten in der elektrischen Energieversorgung... 4 2.2 Vakuumschalter... 8 2.2.1 Aufbau und Funktionsprinzip... 8 2.2.2 Schaltröhren... 10 2.2.3 Lichtbogenlöschung im Vakuum... 11 2.2.4 Kontaktflächendesign... 12 2.2.5 Kontaktmaterialien... 14 2.3 Supraleiter... 15 2.4 Schalter in supraleitenden Netzen... 19 3 Versuchsaufbau und vorbereitungen... 21 3.1 Prüflinge... 21 3.2 Prüfprogramm... 21 3.3 Synthetischer Prüfkreis... 25 3.4 Verwendete Elemente im Laborprüfkreis... 29 3.5 Prüfschalter... 31 3.5.1 Modifikationen des Prüfschalters... 33 3.5.2 Messung und Einstellung des Kontakthubs... 33 3.5.3 Messung Kontaktkraft... 34 3.5.4 Aufnahme von Weg-Zeit-Diagrammen... 36 3.6 Erfassen von Messgrößen... 38 4 Versuchsdurchführung... 40 4.1 Allgemeiner Versuchsablauf... 40 4.2 Typ A bei Raumtemperatur... 41 4.3 Typ A bei tiefkalter Temperatur... 42 4.4 Typ B bei Raumtemperatur... 44 4.5 Typ B bei tiefkalter Temperatur... 44 4.6 Zusammenfassung... 45 4.6.1 Versuchsergebnisse Prüfling Typ A... 47 4.6.2 Versuchsergebnisse Prüfling Typ B... 49 4.6.3 Vergleich der beiden Röhrentypen... 51 4.6.4 Beurteilung der Vorgehensweise... 53 5 Zusammenfassung und Ausblick... 56 Literaturverzeichnis... V Normenverzeichnis... VII Inhaltsverzeichnis I
Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Schematische Darstellung der elektrischen Energieversorgung [Hin10]... 3 Abbildung 2: Potentialverteilung im Lichtbogen (links) und Statische Lichtbogenkennlinie (rechts) [Neu10]... 7 Abbildung 3: Grundsätzlicher Aufbau eines Vakuumleistungsschalters [Neu10]... 9 Abbildung 4: Grundsätzlicher Aufbau einer Vakuumschaltröhre [Küc09 ] [Neu10]... 10 Abbildung 5: Erscheinungsformen des Vakuumlichtbogens [Neu10]... 12 Abbildung 6: Kontaktgeometrien von Vakuumschaltkontakten [Küc09]... 13 Abbildung 7: Schematische Darstellung des spezifischen Widerstands von Leitern, Halbleitern und Supraleitern [Kat99]... 16 Abbildung 8: Existenzbereich des supraleitenden Zustandes [Küc09]... 17 Abbildung 9: Gegenüberstellung erfolgreiche und nicht erfolgreiche Abschaltung... 23 Abbildung 10: Vollständiger Verlauf des Prüfprogramms... 24 Abbildung 11: Schaltplan synthetischer Prüfkreis [Dor15]... 25 Abbildung 12: Verschaltung der Kapazität C2 [Dor15]... 30 Abbildung 13: Siemens 3AH5 [Sie10]... 32 Abbildung 14: Kühlen der Vakuumschaltröhren im Stickstoffbad... 33 Abbildung 15: Messung des Kontakthubs... 34 Abbildung 16: Vorrichtung zur Messung der Kontaktkraft... 35 Abbildung 17: Linearpotentiometer zur Aufnahme der Weg-Zeit-Diagramme... 37 Abbildung 18: Beispiel Oszillogramm Weg-Zeit-Messung... 38 Abbildung 19: Beispielhafter Verlauf der erfolgreichen Abschaltungen je Stromstufe... 47 Abbildung 20: Anteil der erfolgreichen Kurzschlussstrom-Abschaltungen Prüfling Typ A... 47 Abbildung 21: Anteil der erfolgreichen Kurzschlussstrom-Abschaltungen Prüfling Typ B... 49 Abbildung 22: Schaltversager B7... 50 Abbildung 23: Vergleich der Messergebnisse Röhrentyp A und B... 52 Abbildung 24: Stromüberlagerung auf Grund einer Fehltriggerung... 54 Abbildungsverzeichnis II
Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Kategorisierung der Spannungsebenen [Hin10]... 4 Tabelle 2: Kenndaten der untersuchten Röhrentypen [Datenblätter der Hersteller]... 22 Tabelle 3: Prüfprogramm bei erfolgreicher Unterbrechung... 23 Tabelle 4: Prüfprogramm mit Schaltversager und Abbruchbedingung... 24 Tabelle 5: Parameter synthetischer Prüfkreis... 31 Tabelle 6: Kenndaten Oszilloskop Agilent DSO5014A [Agi12]... 38 Tabelle 7: Kanalbelegung Oszilloskop... 39 Tabellenverzeichnis III
Abkürzungsverzeichnis AMF CO 2 CuCr DIN EN EHV HST HTS HV KFS LHC LTS LV MS MV RMF SF 6 SQUID UHV Axial-Magnetfeld Kohlenstoffdioxid Kupfer-Chrom-Legierung Deutsches Institut für Normung Europäische Norm Höchstspannung (engl. Extra High Voltage) Fachgebiet Hochspannungstechnik der TU Darmstadt Hochtemperatur-Supraleitung (engl. High Temperature Superconductivity) Hochspannung (engl. High Voltage) Kugelfunkenstrecke Large Hadron Collider Niedrigtemperatur-Supraleitung (engl. Low Temperature Superconductivity) Niederspannung (engl. Low Voltage) Mittelspannung Mittelspannung (Medium Voltage) Radial-Magnetfeld Schwefelhexafluorid Superconducting Quantum Interface Device Ultrahochspannung (engl. Ultra High Voltage) Abkürzungsverzeichnis IV
1 Einleitung Die Gewährleistung einer sicheren Versorgung mit elektrischer Energie und die Reduzierung der CO 2 -Emmission sind die beiden großen Herausforderungen vor denen Energieversorgungsunternehmen in den Industriestaaten heute stehen. In diesem Zusammenhang werden sowohl eine Erhöhung des Anteils von erneuerbaren Energien am Energiemix als auch die Einführung von Speichertechnologien im gesellschaftlichen und politischen Umfeld ausgiebig diskutiert [Bac09]. Allerdings besteht auch bei der Übertragung von elektrischer Energie vom Erzeuger zum Verbraucher Optimierungspotential. Die entstehenden Verluste in Form thermischer Energie betragen in Europa zwischen vier und acht Prozent [Mel04]. Ein großer Anteil dieser Verluste fällt in den Verteilnetzen an. Diese sind in Mittel- und Niederspannungsebene ausgeführt und übertragen eine große Energiemenge auf engem Raum [Bac09]. Die Verteilnetze stellen mit einer Leitungslänge von ca. 1,7 Mio. km den größten Anteil an der Gesamtleitungslänge aller Energienetze in Deutschland. Etwa 510.000 km hiervon sind den rund 4.500 Mittelspannungsnetzen zuzuordnen [Büc14]. Im Jahr 2009 veröffentlichten Bach et al. eine Studie, in der sie ein Konzept für eine effiziente Energieversorgung von Ballungsräumen diskutieren und vorstellen. Grundlage der Studie ist der Einsatz von Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) in den Verteilnetzen. Diese bieten im Vergleich zu konventioneller Technik bei gleichem Querschnitt eine wesentlich größere Stromtragfähigkeit. Weiterhin weisen supraleitende Materialien beim Betrieb unterhalb der Sprungtemperatur praktisch keinen ohmschen Widerstand auf, sodass sich die Übertragungsverluste reduzieren lassen. Für einen effizienten Einsatz dieser Technologie ist allerdings die Auslegung ganzer Netzabschnitte und der darin enthaltenen Betriebsmittel in einem geschlossenen Kühlkreislauf notwendig. Nur so kann die Anzahl der Übergänge zwischen warmen und kalten Netzbereichen reduziert und der gewünschte Wirkungsgrad erreicht werden [Bac09]. Supraleitende Materialien, beispielsweise in Form vom HTS-Kabeln, sind bereits gut erforscht und kommerziell erhältlich. Auch Strombegrenzer, welche für den Einsatz in einem geschlossenen Kryostat ausgelegt sind, befinden sich an der Grenze zur Marktreife. Für supraleitende Transformatoren gibt es Konzeptansätze, die allerdings aufgrund bestehender Nachteile nur mit geringem Engagement verfolgt werden. Ein häufig genannter Nachteil sind hohe Investitionskosten, die sich erst über einen sehr langen Zeitraum amortisieren [Bac09]. Da die Integration von supraleitenden Netzen in konventionelle Schaltanlagen nur schwer 1 Einleitung 1
möglich ist und aufgrund der höheren Ströme Speziallösungen notwendig werden, sollten Schaltgeräte ebenfalls in den supraleitenden Bereich integriert werden. Hierzu eignen sich insbesondere Betriebsmittel auf Basis der Vakuumschalttechnik. Erste Forschungsarbeiten bestätigen deren grundsätzliche Eignung, allerdings sind einige Aspekte, wie beispielsweise das Kurzschlussstrom-Ausschaltverhalten bisher noch nicht untersucht worden [Bac09]. Dieses ist von besonderem Interesse, da die Unterbrechung von Kurzschlussströmen die belastendste und damit bedeutendste Schaltaufgabe darstellt [Neu10]. Im Rahmen dieser Masterthesis wird das Kurzschlussstrom-Ausschaltvermögen von Vakuumschaltröhren in flüssigem Stickstoff bewertet. Hierzu wird eine vergleichende Untersuchung durchgeführt, die das Verhalten der Schaltröhren bei Raumtemperatur und im tiefkalten Zustand gegenüberstellt. Es wird die folgende Forschungsfrage formuliert: Ändert sich das Kurzschlussstrom-Ausschaltverhalten von Vakuumschaltröhren, wenn sie bei tiefkalten Temperaturen betrieben werden? Im zweiten Kapitel werden die notwendigen Grundlagen erläutert. Es wird auf das elektrische Energieversorgungsnetz und das Schalten von elektrischen Strömen eingegangen. Weiterhin wird die Vakuumschalttechnik detailliert vorgestellt. Im Anschluss werden die Grundlagen im Bereich Supraleiter gelegt und auf die Thematik des Schaltens in supraleitenden Netzen eingegangen. Die Einführung in den praktischen Teil dieser Arbeit erfolgt im dritten Kapitel, welches den Versuchsaufbau und die vorbereitungen erläutert. In diesem Kontext werden die zu untersuchenden Prüflinge und das Prüfprogramm sowie das Konzept des synthetischen Prüfkreises erläutert. Weiterhin wird auf den verwendeten Vakuumleistungsschalter und die Erfassung der Messgrößen eingegangen. Kapitel vier beschäftigt sich der mit eigentlichen Versuchsdurchführung. Dazu wird zunächst der Versuchsablauf im Allgemeinen beschrieben und anschließend für jeden Prüflingstyp detailliert besprochen. Zum Ende dieses Kapitels werden die Messergebnisse zusammengefasst und das Schaltverhalten der Prüflinge beurteilt. Ein abschließendes Fazit sowie ein Ausblick werden in Kapitel sechs gegeben. 1 Einleitung 2
Die folgenden Seiten wurden für die Veröffentlichung entfernt. --- Bei weiterem Interesse zu der untersuchten Fragestellung wenden Sie sich bitte an das Fachgebiet Hochspannungstechnik der TU Darmstadt. --- Markus Wenzel http://markuswenzel.com Quellenanganben zu diesem Auszug: [Bac09] Bach, Robert; Goldacker, Wilfried; Noe, Matthias; Poelchau, Juri; Prusseit, Werner; Willén, Dag: Konzept für eine effiziente Energieversorgung von Ballungsräumen. VWEW Energieverlag GmbH, Frankfurt a. M., 2009. [Büc14] Bücher, Jens et. al.: Moderne Verteilernetze für Deutschland (Verteilernetzstudie). Abschlussbericht zur Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), Forschungsprojekt Nr. 44/12, 2014. [Mel04] Melhorn, Klaus; Kliement, Jens: Bestimmung der elektrischen Verluste im Netz eines städtischen Netzbetreibers, TU Chemnitz, EW Jg. 103, Heft 1-2, BDEW, 2004. [Neu10] Neumann, Claus: Hochspannungsschaltgeräte und anlagen. Hilfsblätter zur Vorlesung, Darmstadt, 2010.