Kurzschlussströme mit Supraleitern beherrschen

Sonderdruck aus BWK 6(2012)
DAS ENERGIE-FACHMAGAZIN
Strombegrenzer der zweiten Generation für noch mehr Netzsicherheit
Kurzschlussströme mit
Supraleitern beherrschen
NETZSICHERHEIT | Oft sind Supraleiter aufgrund ihrer hohen Stromtragfähigkeit im Gespräch, denn
im Vergleich zu Kupfer können sie ein Vielfaches der Strommenge transportieren. Dass sie auch Ströme
begrenzen können, ist weniger bekannt. Doch genau dies lässt sich in bestehenden und neuen Netzen
vortrefflich ausnutzen – als Absicherung gegen Kurzschlussschäden. Supraleitende Strombegrenzer
sind ultraschnell, eigensicher und selbst erholend. Aufgebaut aus Supraleitern der zweiten Generation
begrenzen sie noch effektiver als ihre Vorgänger und verursachen im Normalbetrieb geringere Verluste.
ie zunehmende Einspeisung dezentral erzeugter Energie und
höhere Lastflüsse machen in den
nächsten Jahren verstärkt Anpassungen
der Stromnetze erforderlich. Unter anderem gilt es, die Mittelspannungsnetze
im Hinblick auf eine deutlich höhere
Kurzschlussleistung zu ertüchtigen, damit Fehlerströme durch technische Defekte oder Blitzschlag keine Schäden am
Netz verursachen. Für diese Aufgabe
gibt es diverse Lösungen, die jedoch mit
Nachteilen behaftet sind: Drosseln reduzieren die Spannungsstabilität, und
auch Transformatoren hoher Kurzschlussspannung bedeuten relativ hohe
permanente Verluste im Netz. Der andere Lösungsansatz, die wegen hoher
Kurzschlussströme gängige Überdimensionierung von Leistungsschaltern,
Sammelschienen, Kabeln und Leitungen, ist mit hohen Kosten verbunden.
Der Umweg über eine höhere Spannungsebene treibt die Investitionen in
die Höhe und hat zwangsläufig Trafoverluste zur Folge. Bleibt die pyrotechnische
Sicherung, die das Netz sofort „dunkel
macht“ und nach jeder Auslösung aufwändig ausgetauscht werden muss.
Ein Betriebsmittel, das im Normalfall
quasi verlustfrei arbeitet, eigensicher sowie wartungsarm ist und das Beherrschen praktisch beliebig hoher Fehlerströme erlaubt, ist daher hoch willkommen. Es kann nicht nur die Netzsicherheit steigern und Verluste reduzieren,
sondern es erlaubt auch, Anlagen kostengünstiger auszulegen.
D
Physik sorgt für die Sicherheit
Resistive supraleitende Strombegrenzer sind solche Betriebsmittel. Im Gegensatz zu einer Sicherung trennen sie
den Stromkreis bei einem Kurzschluss
aber nicht auf, sondern limitieren die
hohen Ströme auf genau definierte Werte. Was nach einem Paradoxon klingt, ist
Noch machen die Supraleiter, aus
denen der „wirksame“ Teil des Strombegrenzers gebaut wird, die Hälfte der
Systemkosten aus. Aber die Preise sollen in den kommenden Jahren sinken.
in der Physik der Supraleiter begründet.
Die für typische Energieanwendungen
relevanten Hochtemperatur-Supraleiter
leiten bei einer Temperatur von etwa
– 200 °C (die mit flüssigem Stickstoff
einfach und kostengünstig zu erreichen
ist) Strom quasi verlustfrei. Jedoch kann
ein Supraleiter in diesem Zustand nur
bis zu einer maximalen Stromstärke verharren. Bei Überschreiten des „kritischen Stroms“ verliert das Material
spontan seine supraleitende Eigenschaft
und verhält sich wie ein hoher Widerstand. Dieser beschränkt den Strom auf
einen geringen Wert, der sich durch das
Parallelschalten anderer Materialien
(Kupfer, Stahl) beeinflussen lässt. Diese
Eigenschaften machen Supraleiter zu
idealen,
selbstauslösenden
strombegrenzenden Elementen.
Das Limitieren von Fehlerströmen, die
ein Mehrfaches des Nennstroms betragen, geschieht bei einem resistiven supraleitenden Begrenzer in Millisekunden, so dass in der ersten Halbwelle bereits eine wirksame Reduktion des Fehlerstroms erfolgt. Die Höhe des Peakstroms (er tritt in der ersten Halbwelle
auf) und des symmetrisch begrenzten
Stroms (auch als Folgestrom bezeichnet)
lassen sich durch das Komponentendesign unabhängig voneinander festlegen. Die Energie des Kurzschlusses
wird größtenteils als Verlustwärme in
das Begrenzersystem eingetragen, das
sich in einem Bad aus flüssigem Stickstoff befindet. Dieser Zustand kann kurze Zeit beibehalten werden und ermöglicht das Auslösen von Schutzeinrichtungen und somit eine erleichterte Fehlersuche.
Wartungsfreier Betrieb
auch nach Kurzschlüssen
Supraleitende Bänder
statt Massivteilen
Herzstück des neuen Begrenzertyps
sind keine massiven Supraleiter. Statt-
Bilder (2): Nexans
dessen fließt der Strom nun durch supraleitende Bänder, wie sie auch in Kabeln Verwendung finden. Diese Bänder
werden aus Yttrium-Barium-Kupferoxid
(YBCO) hergestellt und wegen des Beschichtungsprozesses auch als Coated
Conductors bezeichnet. Bei ihrer Produktion wächst das supraleitende keramische Material als wenige tausendstel
Millimeter dicke Kristallschicht auf einem Träger aus Edelstahl. Weil dieser
Fertigungsprozess einen neuen und
wichtigen Schritt in der Supraleiterproduktion darstellt – unter anderem wegen des Verzichts auf teures Silber und
der Option auf eine deutlich günstigere
Fertigung – titulierte die Branche das
Material als „zweite Generation“.
Resistive Begrenzer mit 2G-Supraleitern bieten gegenüber Systemen mit
Massivteilen den Vorzug, effektiver
Kurzschlüsse zu begrenzen und geringere Verluste im Normalbetrieb zu verursachen. Im Supraleiter selbst sollen
die Verluste bei gleichen Auslegungswerten sogar nur noch ein Zehntel so hoch
sein wie bei Massivteilen. Das reduziert
den Kühlbedarf und damit auch die Betriebskosten. Zugleich verleiht die
2G-Basis Freiheiten beim Layout des Begrenzers. So soll neben dem beschriebenen Gerät für die Kraftwerkseigenversorgung schon bald ein Begrenzer für das
Verteilnetz in Betrieb gehen. Er wird von
Projektkoordinator Nexans und über einem Dutzend europäischer Partner im
Rahmen des EU-finanzierten Projekts
Eccoflow gebaut. Seine Besonderheit ist
unter anderem, dass sich ein und dasselbe Gerät in einer Sammelschienenkupplung des Betreibers Endesa in Palma de Mallorca (Spanien) und später im
Transformatorabgang im Netz der
Vychodoslovenska Energetika a.s. in Košice (Slowakei) bewähren soll.
Strombegrenzer als
Investitionsschutz
Außerdem konnte Nexans SuperConductors bereits den ersten Auftrag für einen Strombegrenzer verbuchen, der in
der Innenstadt von Essen zwischen einen Transformatorabgang und ein Supraleiterkabel geschaltet werden soll,
um das wertvolle Kabel vor Fehlerströmen zu schützen. Supraleitende Strombegrenzer werden heute vor allem da
eingesetzt, wo der Kundennutzen besonders groß ist, da die Preise für die Supraleiter der zweiten Generation anfangs
noch vergleichsweise hoch waren. In
den letzten Jahren wurde vor allem die
Performance des Leitermaterials gesteigert und dadurch der spezifische Preis
gesenkt. Jetzt ist absehbar, dass mehrere
neue Hersteller auf dem Plan erscheinen
und für einen echten Anbietermarkt sorgen werden. Die Preise für Supraleiter
sollen laut Branchenkennern in wenigen
Jahren so weit sinken, dass sie in Hochstromanwendungen dem Leitermaterial
Kupfer Konkurrenz machen können. Damit ist nach Einschätzung der Experten
auch für einen breiten Einsatz von
Strombegrenzern auf Basis der 2G-Supraleiter das baldige Erreichen der Wirtschaftlichkeit wahrscheinlich. Hier wirken sich zusätzlich Einsparungen an anderer Stelle positiv aus, etwa wenn
Transformatoren und die mit ihnen verbundenen Kosten und Verluste wegfallen.
Ralf Dunker
i
www.nexans.de
© Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf 2012
Nach einem Kurzschluss muss der Begrenzer nur kurzzeitig stromlos geschaltet werden, damit er durch die Kühlung
selbsttätig wieder in die Betriebsbereitschaft zurückkehrt. Je nach Auslegung
kann er nach einigen Sekunden oder Minuten wieder den Nennstrom aufnehmen und ist für den nächsten Kurzschluss bereit.
Vorteile bietet der supraleitende
Strombegrenzer zum Beispiel bei diesen
Anwendungen:
> Sammelschienenkupplung unter Beibehaltung der Schaltanlagen,
> Schutz im Transformatorabgang,
> Schutz von lokalen Netzen in Industrie- oder Chemieparks,
> Schutz von Anlagen der Kraftwerkseigenversorgung,
> Einbindung zusätzlicher Erzeuger wie
zum Beispiel regenerative Quellen
oder Blockheizkraftwerke,
> Kopplung von Netzen zur Reduktion
von Oberwellen.
Bisherige resistive supraleitende Strombegrenzer wurden aus Massivteilen aufgebaut und haben ihre Funktion in diversen Feldtests unter Beweis gestellt.
Vergangenes Jahr hat die Firma Nexans
SuperConductors GmbH, Hürth, ihren
ersten Strombegrenzer mit Supraleitern
der zweiten Generation (kurz 2G) gefertigt und ins Feld geschickt. Das Gerät
wurde im Rahmen des BMWi-Projekts
Ensystrob zusammen mit den Projektpartnern Karlsruher Institut für Technologie, den Technischen Universitäten
Cottbus und Dortmund sowie Vattenfall
erarbeitet und vom Bundesministerium
für Wirtschaft und Technologie gefördert. Es arbeitet seit dem Herbst 2011 im
Braunkohlenkraftwerk der Vattenfall
Europe Generation AG im sächsischen
Boxberg in der Kraftwerkseigenversorgung. Der Strombegrenzer ist in die Versorgung der Kohlebrechermühlen eingebunden und wird mit 280 A Nennstrom
eingesetzt. Er kann ohne weitere Modifikationen mit bis zu 800 A dauerhaft betrieben werden bzw. die relativ hohen
Motoranlaufströme passieren lassen,
ohne zu begrenzen. Vattenfall verspricht
sich von solchen supraleitenden Strombegrenzern eine Verbesserung der Personen- und Anlagensicherheit bei gleichzeitig reduzierten Kosten.
Durch Variation der
Verschaltung und der
Anzahl der Supraleiterelemente lassen sich
Strombegrenzer für
verschiedene elektrische Anforderungen
herstellen.