iSFCL im Netz in Augsburg: Alle Anforderungen erfüllt
Ein Strombegrenzer im Betrieb
Wie verhalten sich Strombegrenzer im Netz? Bruker EST, Schneider Electric und die Stadtwerke Augsburg installieren in Augsburg einen SFCL zwischen einem Umspannwerk und dem Werk der MTU Onsite Energy, das Blockheizkraftwerke herstellt und Testläufen unterzieht.
An einem verkleinerten Funktions-Modell („Mock-up“) haben die Projektpartner bereits die Designparameter getestet. Jetzt sind die Unternehmen dabei, die ersten Einheiten zu bauen. Das komplette dreiphasige System soll 2013 den Betrieb aufnehmen.
Bei dem Fehlerstrombegrenzer in Augsburg handelt es sich um einen induktiv geschirmten supraleitenden Typ (iSFCL). Die Netzparameter in Augsburg sehen folgendermaßen aus: die Betriebsspannung liegt bei 10,6 kV, der Betriebsstrom bei 817 A, der prospektive Kurzschlussstrom bei 10,1 kA, der prospektive Stoßkurzschlussstrom bei 25,1 kA. Für einen sicheren Betrieb des Netzes ergeben sich Anforderungen an den iSFCL für einen begrenzten Kurzschlussstrom von kleiner 2 kA, einen begrenzten Stoßkurzschlussstrom von kleiner 5 kA und eine Begrenzungsdauer von 0,5 s. Außerdem sollen die aktiven Verluste des iSFCL inklusive der Kühlverluste unter denen einer konventionellen Drossel liegen und es ist eine niedrige Wartungsfrequenz gewünscht.
Der iSFCL bringt gegenüber einer 15-MVA-Drossel einige interessante Vorteile. So liegt die berechnete Gesamtimpedanz des iSFCL im Normalbetrieb bei 1,4 Ohm, die Drossel kommt auf 2,7 Ohm. Die aktiven Verluste des iSFCL einschließlich der Kühlung liegen bei 45 bis 50 kW, die der Drossel bei immerhin 95 kW. Die Impedanz des iSFCL im Kurzschlussfall steigt um den Faktor 3, bei der Drossel tritt keine Impedanzerhöhung ein. Einer aktiven Auslösung bzw. Steuerung bedarf der iSFCL nicht, weil er selbstauslösend und eigensicher ist. Er zeichnet sich durch eine kurze Ansprechzeit und selbständige Rückkühlung aus. Zudem gehen die Projektpartner davon aus, dass mit diesem SFCL-Typ je nach Anwendung Kurzschlussdauern von bis zu 1 s getragen werden können.
Das Innere des Begrenzers bildet der Eisenkern. Um den Eisenkern herum liegt der Kyrostat, in der sich die HTS-Sekundärwindung (HTS = Hochtemperatur-Supraleiter) befindet. Außen um den Kyrostaten herum liegt die Primärwicklung aus Kupfer, die nicht gekühlt ist. Die Primärwicklung kann mit einer geringeren Leiterlänge als bei einer vergleichbaren Drossel ausgeführt werden, was zu einem niedrigeren ohmschen Widerstand führt.
Im Normalbetrieb, also wenn die Sekundärwindung supraleitend ist, gibt es im Inneren des HTS-Zylinders und somit im Eisenkern kein Magnetfeld, also resultiert der Beitrag zur Induktivität nur aus dem Streufluss, was zu einer kleinen Reaktanz führt. Bei Kurzschluss wird die Sekundärspule normalleitend, der magnetische Fluss dringt in den Eisenkern ein, die Gesamtinduktivität wird sichtbar, die Impedanz ist groß.
Ein Vorteil dieses Aufbaus: Der Schaltstrom lässt sich einfach über die Anzahl der HTS-Bänder einstellen. Über das Design der Primärspule lassen sich weitere Parameter nach Wunsch einstellen. »Damit lässt sich der iSFCL an Netzparameter, Schaltschwellen, Impedanzgewinn, aktive und reaktive Verluste einstellen und sich einfach kundenspezifisch auslegen«, sagt Dr. Stefan Schmidt von Bruker.
Das Kühlsystem besteht aus einem Tank mit integriertem Kühler, der sich aus Gasflaschen nachfüllen lässt. Das Gas wird im Kühlsystem verflüssigt. Alle auftretenden Verluste belaufen sich in der Summe auf ca. 100 W im Normalbetrieb, so dass laut Stefan Schmidt die Kühlverluste im akzeptablen Bereich bleiben. Die gesamte elektrische Kühlleistung für alle drei Phasen liegt bei ca. 20 kW.
Im Fall eines Quench verdampfen etwa 10 l Stickstoff, die über Sicherheitsventile in die Umgebung abgelassen werden. Deshalb ist das ganze System auf einen Druck von 3 bar ausgelegt. Der am Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen der TU Braunschweig durchgeführte Mock-up-Test hat in mehr als 100 Quenches bei Quench-Dauern von bis zu 0,5 s gezeigt, dass die HTS-Module ihre Funktionsparameter bei einem solchen Betrieb dauerhaft beibehalten. Die Ergebnisse hätten auch gezeigt, dass die FEM-Simulationen sehr gut mit den Messungen übereinstimmten.
»Die elektromagnetischen und kryotechnischen Anforderungen sind komplex, aber zu bewältigen. Die Parameter des Systems erfüllen die Anforderungen für das Netz der Stadtwerke Augsburg«, so das Fazit von Stefan Schmidt.
Lesen Sie mehr zum Thema
