Grundsatzuntersuchungen zum Schalten in Flüssig- Stickstoff-Umgebung zur Anwendung in zukünftigen Hochtemperatur-Supraleitungs-(HTS)- Mittelspannungsnetzen der elektrischen Energieversorgung Dipl.-Ing. Karsten Golde FG Hochspannungstechnik Prof. Dr.-Ing. Volker Hinrichsen TU Darmstadt Landgraf-Georg-Str. 4 D-64283 Darmstadt, Germany http://www.hst.tu-darmstadt.de Aufschmelzung der Oberfläche eines Schaltkontaktes TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 1
Motivation Studie: Konzept für eine effiziente Energieversorgung von Ballungsräumen Robert Bach, Wilfried Goldacker, Mathias Noe, Juri Poelchau, Werner Prusseit, Dag Willén August 2009 TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 2
Motivation Zeitliche und örtliche Veränderung von Lastverteilung und Einspeisung Zukunft der Stromversorgung: Kostengünstige, umweltschonende und nachhaltig sichere Versorgung Energieeffizienz und Ressourcenschonung Steigerung der Energieeffizienz auch bei Stromübertragung und Verteilung: Einsatz nahezu verlustfreier supraleitender Betriebsmittel TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 3
Motivation Potential zur Verlustreduktion bei konventionellen Netzelementen weitgehend erschöpft Supraleitung: Effizienzsteigerung (CO 2 -Einsparung) bei der Verteilung in Ballungsräumen Technische Tauglichkeit von Kabeln und Strombegrenzern bereits in verschiedenen Pilotprojekten nachgewiesen Entwicklung von Transformatoren und Schaltanlagen hat bisher kaum oder überhaupt nicht stattgefunden Um die Vorteile der Supraleitung voll zu nutzen, ist eine geschlossene Kühlkette erforderlich TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 4
Motivation Szenario zur Machbarkeitsuntersuchung von Schaltfeldern bei kryogenen Temperaturen: Komplette Einsparung der städtischen 110-kV- Versorgung Ersetzen der Mittelspannungsebene durch supraleitende Betriebsmittel Betrieb von Schaltfeldern bei tiefen Temperaturen zur Vermeidung hoher thermischer Verluste an den Schnittstellen TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 5
Motivation Anforderungen an entsprechende Schaltgeräte: Schalten von Strömen bis maximal einige ka Extrem niedriger Widerstand in geschlossenem Zustand (maximal 1 µω) Temperaturbeständig bis -200 C Sonstige Anforderungen vergleichbar (z. B. niedriger Abreißstrom) Vakuumschalter TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 6
Mechanik Statische Belastung: 4 Wochen Dauerversuch Mechanische Belastung: 10.000/20.000 Schaltspiele Keine Ausfälle! TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 7
Widerstand in μω Widerstand (DC) Vergleich Widerstand bei 293 K und 77 K (Messung mit Vierleitermethode): 30 25 20 293 K 77 K 15 10 5 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Kontaktkraft in N TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 8
Stromdichte normiert Stromdichte normiert Widerstand (AC) Einfluss des Skin-Effektes bei 293 K (links) und 77 K (rechts) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-20 -10 0 10 20 Position in mm 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-20 -10 0 10 20 Position in mm TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 9
Bahnwiderstand in μω Widerstand (AC) Vergleich Bahnwiderstand bei 293 K und 77 K (Simulation): 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 293 K DC 77 K 293 K AC 77 K TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 10
Widerstand (AC) Direkte Messung mit AC an den Schaltkontakten nicht möglich! Induzierte Spannung in die Messleitung >> Messgröße Alternativer Ansatz: Erwärmung der Röhren mit DC und AC DC-Widerstand ist bekannt Vergleich der Temperatur im stationären Zustand Rückschlüsse auf den tatsächlichen Widerstand Beispiel: DC: Temperatur von 100 C bei 500 A AC: Temperatur von 100 C bei 400 A Läuft gerade! 2 R I R 1,5625 R DC AC DC DC IAC TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 11
Dielektrische Festigkeit Bei gekühlten Kontakten: Höhere thermische Leitfähigkeit der Kathode Geringere Ausgangstemperatur Geringerer Feldemissionsstrom Höhere thermische Leitfähigkeit der Anode Geringere Ausgangstemperatur Quelle: Mazurek et al., 1981. Größerer Wärmestrom zur Bildung von Anodenplasma notwendig TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 12
Dielektrische Festigkeit Versuchskreis: 4-stufiger Marx-Generator Stoßspannung der Form 30/115 μs Begrenzung des Stroms durch Dämpfungswiderstand Reduzierung von Dekonditionierungseffekten Quelle: Psotta et al., 2014. TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 13
Strom in A Abreißstrom Instabilität der Lichtbogenfußpunkte Lichtbogen reißt vor Nulldurchgang ab Gefahr von Überspannungen Temperaturabhängigkeit: 7 6 5 4 3 2 1 0 0 100 200 300 Zeit in μs Größe und Geschwindigkeit der Lichtbogenfußpunkte Höhere Geschwindigkeit hat stärkere Instabilitäten zur Folge TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 14
Abreißstrom in A Abreißstrom Vergleich Boxplot Abreißstrom bei 293 K und 77 K: Unterschiede der Stichproben statistisch nicht zu belegen 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 293 K 77 K TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 15
Kurzschlussstrom Warum? Strom wird im Fehlerfall nur begrenzt Abschaltung durch (Leistungs-)Schalter notwendig Synthetischer Prüfkreis: TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 16
Kurzschlussstrom TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 17
Kurzschlussstrom Versuchsprogramm: Vakuumschaltröhren von zwei Herstellern in Luft und LN2 Steigerung des Kurzschlussstroms bis zum Versagen (max. 35 ka möglich) Läuft gerade! TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 18
Zusammenfassung und Bewertung: Mechanik Elektrischer Widerstand Abreißstromverhalten Dielektrische Festigkeit Kurzschlussstrom TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 19
Ausblick Nicht oder nur teilweise berücksichtigte Punkte: Erwärmung der Schaltröhren Bildung von Bläschen Antrieb des Schalters möglichst berührungslos Optimierung nach Bedarf TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 20
Grundsatzuntersuchungen zum Schalten in Flüssig- Stickstoff-Umgebung zur Anwendung in zukünftigen Hochtemperatur-Supraleitungs-(HTS)- Mittelspannungsnetzen der elektrischen Energieversorgung Dipl.-Ing. Karsten Golde FG Hochspannungstechnik Prof. Dr.-Ing. Volker Hinrichsen TU Darmstadt Landgraf-Georg-Str. 4 D-64283 Darmstadt, Germany http://www.hst.tu-darmstadt.de Aufschmelzung der Oberfläche eines Schaltkontaktes TU Darmstadt FG Hochspannungstechnik Dipl.-Ing. Karsten Golde Projektdarstellung 21