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Supraleitende Strombegrenzer für Verteilungsnetze

Siemens Corporate Technology | Juni 2015 | Dr.-Ing. Chr. Schacherer

Page Juni 2015 Corporate Technology | Dr. Christian Schacherer unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved

Das Dilemma der Kurzschlussleistung in Energieversorgungsnetzen

• Trennen von Kupplungen • Transformatoren mit hoher

Kurzschlussspannung • Kurzschlussbegrenzungsdrosselspulen

Netzimpedanz Kurzschlussleistung • Geringe Impedanz im Nennbetrieb • Schnelle Begrenzung von Kurzschlussströmen • Automatische Rückstellung in den Normalbetrieb

Normal Betrieb Fehlerzustand

Lösung Zustandsabhängige Impedanz

Heutige Lösungen

Konstante (hohe) Impedanz im normal Betrieb und im Kurzschlussfall

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Die Spannung am Strombegrenzer wird durch das Strombegrenzungsverhältnis bestimmt

)( limsolim0 ZZIU +=

Die Anforderungen im Begrenzungsfall bestimmen wesentlich das Begrenzungskonzept

Kurzschluss mit Begrenzer

Unbegrenzter Kurzschlussstrom Isc

Kurzschluss ohne Begrenzer

sosc0 ZIU =

Begrenzter Strom Ilim

limlimFCL ZIU =

• Erdschluss (einfach/doppelt) • Hochohmiger / niederohmiger Kurzschluss • Staffelzeiten • …

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Wichtige Konzepte von supraleitenden Strombegrenzern

Resistiver Typ

Shunt impedance

Superconducting element

Netzan- schluss

HTS-Sättigungs- magnet

Netzan- schluss

Saturated Iron Core Shielded (Iron) Core

Keine AC-Verluste im Supraleiter

Keine Rückkühlzeit

Größe und Gewicht

Vergleichsweise geringe Begrenzungs- fähigkeit

Kompaktes Design

Hohe Begrenzungs- fähigkeit

Verluste durch Strom- zuführungen

Kurze Rückkühlzeit

HTS-Abschirm- spulen

Optionaler Eisenkern Eisenkern

Schlüsselkomponenten supraleitender Strombegrenzer: • Kryostat

• Kühlversorgung (Arbeitstemperatur ≤ 77 K) mit geschlossenem oder offenem Kreislauf

• Supraleitendes Material

Keine Stromzuführungen Keine Hochspannung im Kryostat Größe und Gewicht

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Eigensichere Begrenzung von Kurzschlussströmen und reduzierte Anforderungen an Betriebsmittel

Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile von supraleitenden Strombegrenzern in Energienetzen

Gerätespezifische Vorteile Systemspezifische Vorteile

• Intrinsische Begrenzung des Stoßkurz-schlussstroms

• Selbsttätiges Rücksetzen

• Nicht brennbar / keine Explosivstoffe

• Modularer Aufbau

• Keine Impedanz und Harmonische im Normalbetrieb

• 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

• Längs- und Querkopplung von Sammelschienen

• Abgänge, Anschluss von Generatoren, Motoren und Transformatoren

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Resistive Strombegrenzer ermöglichen eine hohe Flexibilität in der Auslegung

• Kosteneffizient • Hohe Kurzschlussstromtragfähigkeit • Kurze Rückstellzeiten • Unterbrechungsfreie Rückstellung

Konfiguration mit paralleler Impedanz

• Hohe Begrenzungsfähigkeit • Rein resistive Begrenzung

(Phasenverschiebung) • Unterbrechung zur Rückstellung

Standard Konfiguration

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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

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

MTU Onsite Energy GmbH

Umspannwerk Lechhausen (Augsburg)

Aufstellort des Strombegrenzers

Quelle: Google Maps

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Kompaktes SFCL-Design durch ultraschnelle Fehlererkennung und Abschaltung

Schematischer Netzplan

Beispiel eines supraleitenden Strombegrenzers (8.4 kV / 3.6 MVA)

G

G

MTU Onsite Energy GmbH :

BHKW-Prüffeld

110 - kV - Netz

10-kV-Netz Augsburg

SFCL

Umspannwerk Lechhausen

Netztrafo 40 MVA 110/10 kV

10-kV-Schaltfelder

Vereinfachtes Betriebskonzept des supraleitenden Strombegrenzers (SFCL)

CB1: Leistungsschalter SFCL: Supraleitender Strombegrenzer

Normalbetrieb: I = INenn = I1

Betrieb mit Kurzschlussstrom: I = I“k,CL = I1 + I2

Strombegrenzung nachdem CB1 geöffnet: I = I“k,CL = I2

Drosselspule

Drosselspule

Drosselspule

SFCL

SFCL

SFCL

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SmartCoil - Projektübersicht

SmartCoil – Impedanzveränderliche Kurzschlussstrombegrenzungsdrosselspule

• Dauer: 09/2014 – 08/2017 • Projektvolumen ~ 2’4 EUR • Gefördert durch das BMWi • Projektpartner: Karlsruher Institut für

Technologie (KIT) und Siemens AG

Projektprofil

• Entwicklung und Demonstration einer neuartigen nichtlinearen Drosselspule (10 kV / 600 A einphasig)

• Das Konzept nutz supraleitende Kurzschluss-spulen zur Reduktion der Drosselspulen-impedanz im Normalbetrieb

• Gute Strombegrenzungsfähigkeit • Das Konzept ist prinzipiell geeignet zur

Nachrüstung bestehender Anlagen

Projektkurzbeschreibung

Kryostat

Anschluss der Primärspule

Magnetfeldverlauf im Normalbetrieb

LN2 Supraleitende Abschirmspulen Primärspule

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SmartCoil – Spezifikationen

Spezifikation (einphasig)

Auslegung SSB Begrenzung zb ≈1,8 mH

SSB Normalbetrieb zn ≈ 0,39 mH

Scheinleistung SSSB 3,46 MVA

Spannung USSB 5,774 kV

Strom ID 600 A

Frequenz fn 50 Hz

Begrenzungszeit 100 ms

Spannungshub zwischen Begrenzung und Normalbetrieb (Zb/Zn)

> 4 Impedanz Begrenzung:

Impedanz Normalbetrieb:

Elektrisches Ersatzschaltbild

Quelle: Oliver Näckel, KIT, Conceptual Design Study of an Air Coil Superconducting Fault Current Limiter, Applied Superconductivity Conference (ASC) 2012 , Portland

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SmartCoil - Einflussparameter

Schematische Schnittzeichnung von SmartCoil mit ausgewählten Designparametern

x

y

Abschirmeinsatz (HTS-Leiter) Primärspule

2

3

4

5

6

7

1

3

4

5

6

7

1

2

Abstand zwischen Primärspule und Abschirmeinsatz

Spulenhöhe

Höhenunterschied zwischen Primärspule und

Abschirmeinsatz

Spalt zwischen den Windungen im Abschirmeinsatz

Breite der Primärspule

Kritischer Strom / Stabilisierung

Windungszahl, Nennstrom

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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

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Dr.-Ing. Christian Schacherer Senior Key Research Scientist CT RTC PET SUC-DE

Günther-Scharowsky-Str. 1 91058 Erlangen Germany

Phone: +49 (9131) 7-30486 Fax: +49 (9131) 7-33323

E-mail: [email protected]

intranet.ct.siemens.com

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mailto:[email protected]

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