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unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved
Supraleitende Strombegrenzer für Verteilungsnetze
Siemens Corporate Technology | Juni 2015 | Dr.-Ing. Chr. Schacherer
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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: christian.schacherer@siemens.com
intranet.ct.siemens.com
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