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Siemens Corporate Technology | Juni 2015 | Dr.-Ing. Chr. Schacherer Supraleitende Strombegrenzer für Verteilungsnetze unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved Das Dilemma der Kurzschlussleistung in Energieversorgungsnetzen Kurzschlussleistung • Geringe Impedanz im Nennbetrieb Netzimpedanz • Schnelle Begrenzung von Kurzschlussströmen • Automatische Rückstellung in den Normalbetrieb Lösung Zustandsabhängige Impedanz Heutige Lösungen Normal Betrieb Konstante (hohe) Impedanz im normal Betrieb und im Kurzschlussfall Fehlerzustand • Trennen von Kupplungen • Transformatoren mit hoher Kurzschlussspannung • Kurzschlussbegrenzungsdrosselspulen Page 2 Juni 2015 Corporate Technology | Dr. Christian Schacherer unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved Die Spannung am Strombegrenzer wird durch das Strombegrenzungsverhältnis bestimmt Die Anforderungen im Begrenzungsfall bestimmen wesentlich das Begrenzungskonzept Kurzschluss ohne Begrenzer Kurzschluss mit Begrenzer U 0 = I lim ( Z so + Z lim ) U 0 = I sc Z so U FCL = I lim Z lim Unbegrenzter Kurzschlussstrom Isc Begrenzter Strom Ilim • • • • Page 3 Juni 2015 Corporate Technology | Dr. Christian Schacherer Erdschluss (einfach/doppelt) Hochohmiger / niederohmiger Kurzschluss Staffelzeiten … unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved Wichtige Konzepte von supraleitenden Strombegrenzern Schlüsselkomponenten supraleitender Strombegrenzer: • Kryostat Resistiver Typ Kompaktes Design Shunt impedance Hohe Begrenzungsfähigkeit • Kühlversorgung (Arbeitstemperatur ≤ 77 K) mit geschlossenem oder offenem Kreislauf • Supraleitendes Material Verluste durch Stromzuführungen Superconducting element Kurze Rückkühlzeit Shielded (Iron) Core Saturated Iron Core HTS-Sättigungsmagnet Keine AC-Verluste im Supraleiter HTS-Abschirmspulen Keine Stromzuführungen Keine Hochspannung im Kryostat NetzanNetzanschluss schluss Größe und Gewicht Optionaler Eisenkern Page 4 Juni 2015 Keine Rückkühlzeit Größe und Gewicht Eisenkern Corporate Technology | Dr. Christian Schacherer Vergleichsweise geringe Begrenzungsfähigkeit unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved Eigensichere Begrenzung von Kurzschlussströmen und reduzierte Anforderungen an Betriebsmittel Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile von supraleitenden Strombegrenzern in Energienetzen • Längs- und Querkopplung von Sammelschienen • Abgänge, Anschluss von Generatoren, Motoren und Transformatoren Gerätespezifische Vorteile Systemspezifische Vorteile • Intrinsische Begrenzung des Stoßkurzschlussstroms • Selbsttätiges Rücksetzen • Umfassender Schutz und reduzierte mechanische Belastung verbundener Betriebsmittel • Nicht brennbar / keine Explosivstoffe • Geringere Anforderung an Leistungsschalter • Modularer Aufbau • Steigerung der und Erhöhung redundanter Einspeisung (n-x Kriterium) • Keine Impedanz und Harmonische im Normalbetrieb Page 5 Juni 2015 • Keine oder kurze Unterbrechungszeiten Corporate Technology | Dr. Christian Schacherer unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved Resistive Strombegrenzer ermöglichen eine hohe Flexibilität in der Auslegung Standard Konfiguration Konfiguration mit paralleler Impedanz • Hohe Begrenzungsfähigkeit • Kosteneffizient • Rein resistive Begrenzung (Phasenverschiebung) • Hohe Kurzschlussstromtragfähigkeit • Unterbrechung zur Rückstellung • Unterbrechungsfreie Rückstellung Page 6 Juni 2015 • Kurze Rückstellzeiten Corporate Technology | Dr. Christian Schacherer unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved Feldtest einer verlustarmen Netzanbindung mit HTSStrombegrenzern 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 MTU Onsite Energy GmbH Aufstellort des Strombegrenzers 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 Umspannwerk Lechhausen (Augsburg) Quelle: Google Maps Page 7 Juni 2015 Corporate Technology | Dr. Christian Schacherer unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved Kompaktes SFCL-Design durch ultraschnelle Fehlererkennung und Abschaltung Schematischer Netzplan Vereinfachtes Betriebskonzept des supraleitenden Strombegrenzers (SFCL) 110-kV-Netz Netztrafo 40 MVA 110/10 kV Normalbetrieb: I = INenn = I1 Umspannwerk Lechhausen 10-kV-Schaltfelder Drosselspule MTU Onsite Energy GmbH : SFCL SFCL G G BHKW-Prüffeld 10-kV-Netz Augsburg Betrieb mit Kurzschlussstrom: I = I“k,CL = I1 + I2 Drosselspule Beispiel eines supraleitenden Strombegrenzers (8.4 kV / 3.6 MVA) SFCL Strombegrenzung nachdem CB1 geöffnet: I = I“k,CL = I2 Drosselspule SFCL CB1: Leistungsschalter SFCL: Supraleitender Strombegrenzer Page 8 Juni 2015 Corporate Technology | Dr. Christian Schacherer unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved SmartCoil - Projektübersicht SmartCoil – Impedanzveränderliche Kurzschlussstrombegrenzungsdrosselspule Kryostat Projektprofil Anschluss der Primärspule • Dauer: 09/2014 – 08/2017 LN2 Supraleitende Abschirmspulen Primärspule • Gefördert durch das BMWi • Projektvolumen ~ 2’4 EUR • Projektpartner: Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Siemens AG Projektkurzbeschreibung Magnetfeldverlauf im Normalbetrieb • Entwicklung und Demonstration einer neuartigen nichtlinearen Drosselspule (10 kV / 600 A einphasig) • Das Konzept nutz supraleitende Kurzschlussspulen zur Reduktion der Drosselspulenimpedanz im Normalbetrieb • Gute Strombegrenzungsfähigkeit • Das Konzept ist prinzipiell geeignet zur Nachrüstung bestehender Anlagen Page 9 Juni 2015 Corporate Technology | Dr. Christian Schacherer unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved SmartCoil – Spezifikationen Spezifikation (einphasig) Elektrisches Ersatzschaltbild 3,46 MVA Scheinleistung SSSB 5,774 kV Spannung USSB Strom ID 600 A Frequenz fn 50 Hz 100 ms Begrenzungszeit Spannungshub zwischen Begrenzung und Normalbetrieb (Zb/Zn) >4 Impedanz Begrenzung: Auslegung SSB Begrenzung zb SSB Normalbetrieb zn ≈1,8 mH Impedanz Normalbetrieb: ≈ 0,39 mH Quelle: Oliver Näckel, KIT, Conceptual Design Study of an Air Coil Superconducting Fault Current Limiter, Applied Superconductivity Conference (ASC) 2012 , Portland Page 10 Juni 2015 Corporate Technology | Dr. Christian Schacherer unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved SmartCoil - Einflussparameter Schematische Schnittzeichnung von SmartCoil mit ausgewählten Designparametern 3 1 Abstand zwischen Primärspule und Abschirmeinsatz 2 Spulenhöhe 3 Höhenunterschied zwischen Primärspule und Abschirmeinsatz 4 7 2 6 1 y 4 Spalt zwischen den Windungen im Abschirmeinsatz 5 Breite der Primärspule 6 Kritischer Strom / Stabilisierung 7 Windungszahl, Nennstrom 5 x Primärspule Abschirmeinsatz (HTS-Leiter) Page 11 Juni 2015 Corporate Technology | Dr. Christian Schacherer unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved Beispielhaft der Einfluss der Stabilisierungsdicke (Leitfähigkeit) des HTS-Leiters auf die Begrenzungsfähigkeit in einem ansonsten gegebenen System |B| Drossel ohne Abschirmeinsatz Page 12 Juni 2015 mit Abschirmeinsatz Hub als Funktion der Stabilisierungsdicke Corporate Technology | Dr. Christian Schacherer unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved 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 Page 13 Juni 2015 Corporate Technology | Dr. Christian Schacherer unrestricted © Siemens AG 2014. All rights reserved