14. Zukünftige Entwicklungstendenzen

14. Zukünftige Entwicklungstendenzen
Sowohl der SF 6 -Schalter im Hochspannungsbereich als auch der Vakuumschalter in der Mittelspannung
haben sich auf breiter Front durchgesetzt, und es ist nicht zu erkennen, dass sie in
naher Zukunft durch andere Löschprinzipien abgelöst werden. Dennoch wird intensiv über alternative
Schalter, insbesondere für spezielle Anwendungen, nachgedacht. Teilweise befinden
sich auch Versuchsmuster oder Prototypen in der Erprobung.
Folgende Entwicklungen werden heute verfolgt:
- Konventioneller Schalter mit intelligenter Steuerung und Überwachung
- Halbleiterschalter
- Supraleitender Schalter.
14.1 Konventionelle Schalter mit intelligenter Steuerung und Überwachung
Die Steuerung und Überwachung eines Leistungsschalters stellt vom Ablauf her einen
Prozess dar. Dieser lässt sich mit den heutigen Methoden der Prozess- und
Automatisierungstechnik sinnvoll und effizient bearbeiten. Unterschiedliche Varianten
können mit der gleichen Hardwarekonfiguration und gewissen Softwaremodifikationen
verwirklicht werden. Zusätzlich kann dieses System aber auch Diagnosefunktionen einschl.
Eigendiagnose übernehmen. In Bild 14.1.1 sind die wesentlichen Elemente eines solchen
Steuerungs-, Überwachungs- und Diagnosesystem dargestellt. Es besteht aus einem
Mikroprozessor-System, welches die Funktionen Steuerung, Überwachung und Diagnose
Sensoren
Antrieb
(Motor, N 2 ,
Hydr.-Druck,
Federsp.)
Stell.-Meld.
Weg/Zeit
SF 6
-Dichte
Strom
Spg.
Laptop
Visualisierung
Mikroprozessor
Steuerung
Schwellwerte Störwerte
Kinematische
Antrieb
Kette
Überwachung
Selbstüberwachung
Schaltvorgang SF 6 -Dichte
Kinematische
Antrieb
Kette
Diagnose
Interface
SF 6 -Dichte
Schaltfeld
Antriebssteuer.
Ein-,
Auslöser
Konvent.
Stör- & Warnmeld.
Trends
Vorwarnungen
lBild 14.1.1:
oKonzept und wesentliche
Elemete eines Mikroprozessor
gesteuerten Steuerungs-,
Überwachungs- und
Diagnosesystems für Hochspannungs-Leistungsschalter
ausführt.
Der Steuerungsteil übernimmt die EIN- und AUS-Schaltung und das Laden des Energiespeichers.
Als Eingangsgrößen stehen verschiedene Meldungen in Form von Schalterstellungsrückmeldungen,
Schwellwerten und Störmeldungen zur Verfügung. Der Überwachungsteil
wird von verschiedensten Sensoren mit Messwerten versorgt. Als Messgrößen werden erfasst
Temperatur, Weg-Zeit-Kurve der Schaltbewegung, SF 6 -Dichte bzw. SF 6 -Druck und -Temperatur,
Antriebsenergie und darüber hinaus Strom und Spannung.
183

Der Diagnoseteil erhält vom Überwachungsteil, aber auch vom Steuerungsteil Daten und
Messwerte und verarbeitet diese mit Hilfe von Algorithmen und Software-Routinen. Dabei
wird auch auf Daten aus der Vergangenheit bzw. auf Ursprungsdaten zurückgegriffen. So
kann das Erreichen von Grenzwerten ermittelt werden, und es lassen sich Trendanalysen
durchführen. Beispielsweise können Schaltgeschwindigkeit, Weg-Zeit-Verhalten und Gasdichte,
aber auch Antriebsenergie und Kurzschluss-Summenstrom, permanent überwacht und
analysiert werden. Daneben ist jederzeit eine aktuelle Statusabfrage möglich.
Auf Grund der Leistungsfähigkeit des Mikroprozessorsystems können auch komplexe Zusammenhänge
bearbeitet und bei der Analyse berücksichtigt werden. So müssen beispielsweise
bei der EIN- und AUS-Schaltbewegung Ladezustand des Antriebs, SF 6 -Gasdruck und Temperatur
als Einflussgrößen bekannt sein. Dazu werden als Beispiel die in Bild 14.1.2 dargestellten
Urkurven des Weg-Zeitverlaufes in Abhängigkeit des Hydraulikdruckes im Speicher abgelegt
und bei einem Schaltvorgang in die Analyse der aktuellen Weg-Zeit-Kurve
einbezogen.
Dieses Steuerungs-, Überwachungs- und Diagnosesystem ist so aufgebaut, dass der
Leistungsschalter autark arbeitet. Alle Leistungsschalter-spezifischen Funktionen werden von
diesem System ausgeführt, überwacht und analysiert. Für die Weiterverarbeitung stehen dem
Anwender dann vorverarbeitete Daten zur Verfügung. Diese Informationen müssen an einer
geeigneten Schnittstelle übergeben werden. Die an den heutigen Schaltgeräten vorhandenen
Schnittstellen sind nur mit gewissen Einschränkungen für eine solche Kommunikation
geeignet. Daraus ergibt sich die Aufgabe, eine Schnittstelle auf digitaler Basis zu entwickeln,
die die Kommunikation mit der modernen Leittechnik ermöglicht. Erst, wenn diese
Schnittstelle vorhanden ist, können die Möglichkeiten „intelligenter Betriebsmittel“ in voller
Breite genutzt werden.
Die intelligente Steuerung kann auch zum zeitgesteuerten bzw. synchronen Schalten verwendet
werden (Bild 14.1.3). Hierzu wird das Einschalt- bzw. Auslösekommando aus den Eingangsgrößen
und den Schaltereigenzeiten ermittelt. Durch das synchrone Schalten können
zum einen die Beanspruchungen des Schalters, zum anderen die Beanspruchungen der angeschlossenen
Betriebsmittel verringert werden. Beispielsweise kann beim Schalten von Kurzschluss-Strömen
die Kontakttrennung des Schalters so vorgenommen werden, dass dieser mit
kürzester Lichtbogenzeit schaltet. Auf diese Weise lässt sich der Kontaktabbrand deutlich
reduzieren. Beim Schalten von kapazitiven Strömen werden Ausschaltungen mit kurzen
Lichtbogenzeiten verhindert, um ausreichenden Kontaktabstand sicherzustellen und damit ein
rückzündungsfreies Schalten zu garantieren. Die Einschaltung erfolgt im Spannungsnulldurchgang,
so dass transiente Ausgleichsvorgänge weitgehend vermieden werden. Ebenso
184
Bild 14.1.2:
Weg-Zeitverlauf bei Einschaltung
in Abhängigkeit
des Hydraulikdruckes

lassen sich die Beanspruchung beim Einschalten von Transformatoren und Drosselspulen beeinflussen.
Bild 14.1.3:
Prozess-Steuergerät zum
synchronen Schalten
14.2 Halbleiter-Schalter
Der Halbleiter-Schalter ist ein lichtbogenfreier Schalter. Auf die Eigenschaften des Wechselstrom-Lichtbogens
als ideales Synchronisiermittel mit guter Energieabfuhr muss bei diesem
Schalter verzichtet werden, an Stelle dessen wird der Gleichrichtereffekt und die
Impulsbelastbarkeit des Leistungshalbleiters - auf Grund der thermischen Kapazität - genutzt.
In Bild 14.2.1 a, b sind verschiedene Realisierungsmöglichkeiten des Halbleiter-Schalters
dargestellt.
Bei der einfachsten Ausführung mit antiparallelgeschalteten Thyristoren ist neben der ausreichenden
Spannungsfestigkeit auch die Verlustleistung von einigen 100 kW im Nenn-
Strombetrieb zu berücksichtigen (Bild 14.2.1 a). Der isolationstechnische Aufwand kann
durch einen Reihen-Trennschalter deutlich reduziert werden, die Verlustleistung bei Betriebsstrombelastung
ist nach wie vor relativ hoch. Diese könnte durch Parallelschalten eines
Kommutierungsschalters reduziert werden.
Thyristor-Schalter
HT
Thyristor-Schalter
mit Trennschalter HT
KT
HT
Thyristor-Schalter mit
Trennschalter HT und
Kommutierungs-Schalter KT
Bild 14.2.1 a:
Halbleiterschalter mit gesteuerten
Ventilen
185

Mit zwei in Reihe geschalteten Schnelltrennschaltern könnten an Stelle der Thyristoren
einfache Dioden verwendet werden (Bild 14.2.1 b). In diesem Fall würde sich der angeführte
Schaltablauf ergeben.
S1
S2
Dioden-Schalter mit
Trennschalter S1 & S2 und
Kommutierungs-Schalter K
K
Bild 14.2.1 b:
Halbleiterschalter mit Dioden
Solche Halbleiter-Schalter können zur (Kurzschluss-)Strombegrenzung oder zum schnellen
Schalten von induktiven bzw. kapazitiven Lasten im Falle von Parallel- oder
Serienkompensatoren genutzt werden.
Bild 14.2.2 zeigt das Beispiel eines Strombegrenzers (FCL-TCI). Der in Reihe geschaltete
LC-Kreis kann so gewählt werden, dass die Stromsteilheit di/dt das Löschvermögen des
Thyristors nicht überschreitet.
Bild 14.2.2: Thyristor gesteuerter Strombegrenzer
Andere Anwendungsfälle sind in Bild 14.2.3 dargestellt. Bild 14.2.3 a zeigt das Schaltbild
eines statischen Kompensators (SVC), der aus einer mit Thyristoren geschalteten Kondensatorbank
(TSC), einer thyristorgesteuerten Spule (TCR) und einem Filterkreis zur zusätzlichen
Spannungsstützung und Ausfilterung von Oberschwingen besteht. Der Kompensator
wird mit einer Betriebsspannung von 14 kV betrieben und über einen Transformator an das
400-kV-Netz geschaltet.
186

14 kV
S N
=
150 MVA
400 kV, 50 Hz
TCR
115 Mvar
Filter
40 Mvar
TSC
110 Mvar
Bild 14.2.3 a:
Statischer Blindleistungskompensator;
SVC
Typische Anwendungen für statische Kompensatoren sind:
- Verbesserte Netzstabilität
- Schnelle Spannungsstützung
- Regelung der induktiven Blindleistung
- Dämpfung von Leistungspendelungen.
In Bild 14.2.3 b ist ein kontinuierlich geregelter Serienkompensator (ASC) dargestellt. Seine
Aufgabe ist es den Energiefluss über die angeschaltete Leitung kontinuierlich zu steuern. Im
vorliegenden Fall wurde ein konventioneller Serienkompensator durch ein Modul mit
Leistungselektronik erweitert.
Bild 14.2.3 b:
Geregelter Serienkompensator (ASC)
Typische Anwendungen für solche kontinuierlich geregelten Serienkompensatoren sind:
- Verbesserung der Netzstabilität
- Direkte, kontinuierliche Lastfluss-Steuerung
- Fehlerstrombegrenzung
- Verminderung subsynchroner Resonanzen
- Dämpfung von Leistungspendelungen.
187

14.3 Supraleitende Schalter
Supraleiter haben die Eigenschaft bei Überschreiten einer bestimmten Stromdichte bzw. magnetischen
Induktion, der sog. kritischen Stromdichte J c bzw. kritischem B c vom supraleitenden
in den normalleitenden Zustand überzugehen (Bild 14.3.1). Die supraleitenden
Eigenschaften liegen aber nur unterhalb einer gewissen Temperatur, der sog. kritischen
Temperatur T c vor.
Bild 14.3.1:
Grundsätzliche Widerstandscharakteristik
eines Supraleiters
Supraleiter bieten sich daher zur Realisierung von strombegrenzenden Schaltern an. Insbesondere
die Fortschritte auf dem Gebiet der Hochtemperatur-Supraleitung (HTC) mit kritischen
Temperaturen von z. B. 77 K für Bi (2223) forcieren derartige Überlegungen.
Entsprechend den oben beschriebenen physikalischen Eigenschaften können supraleitende
Strombegrenzer (SFCL) auf resistiver und induktiver Basis verwirklicht werden (Bild 14.3.2).
Rp
I
SFCL
AS
AS
SFCL
resistiv
Kryostat
induktiv
Kryostat
Bild 14.3.2:
Grundprinzipien supraleitender
Strombegrenzer
Ein supraleitender resistiver Strombegrenzer lässt sich in vier Grundvarianten realisieren
(Bild 14.3.3).
188

SFCL
R p
Kryostat
SFCL
a)
b)
Kryostat
c)
d)
X p
Kryostat
SFCL
X p
Kryostat
SFCL
Bild 14.3.3:
Prinzipien eines supraleitenden
resistiven Strombegrenzers
Der auf der resistiven Basis verwirklichte Strombegrenzer (a) ist im Normalbetrieb im
supraleitenden Zustand und der Strom fließt durch das Element nahezu verlustfrei. Im Falle
eines Fehlerstromes, d. h. eines Kurzschluss-Stromes, wird die kritische Stromdichte J c
überschritten und der Supraleiter geht in den normalleitenden Zustand über. Er wirkt somit als
strombegrenzender Widerstand. In diesem Fall muss die entstehende Verlustwärme vom
supraleitenden Element aufgenommen werden, was eine große Wärmekapazität erfordert.
Dieser Nachteil kann überwunden werden, wenn eine Parallelimpedanz (b - d) verwendet
wird. Zur Kommutierung des Stromes auf die Parallelimpedanz muss der Widerstand des
supraleitenden Elementes im normalleitenden Zustand eine Größenordnung höher liegen als
die Parallelimpedanz. Als Parallelimpedanz lässt sich auch eine supraleitende Spule (d) als
strombegrenzende Impedanz einsetzen.
Eine mögliche konstruktive Ausführung eines resistiven supraleitenden Strombegrenzers ist
in Bild 14.3.4 dargestellt.
Durchführungen
Flüssig-
Stickstoff
Supraleiter
Kryostat
Bild 14.3.4:
Konstruktiver Aufbau eines
resistiven supraleitenden
Strombegrenzers
Bild 14.3.5 zeigt den konstruktiven Aufbau und das Funktionsprinzip eines induktiven
supraleitenden Strombegrenzers. Der Supraleiter ist in einem Sekundärteil eines Transformators
angeordnet und somit nicht Teil des Primärkreises. Unter normalen Betriebsbedingungen
ist der Sekundärkreis durch den Supraleiter kurzgeschlossen und erzeugt somit nur einen
geringen Spannungsabfall im Primärkreis. Im Kurzschlussfall geht der Supraleiter in den
normalleitenden Zustand über. Der entsprechende Widerstand – mit dem Übersetzungsverhältnis
auf die Primärseite transformiert – begrenzt so den Strom im Primärkreis.
189

a)
Supraleiter
Kryostat
Durchführung
Isolieröl
normal leitende
Wicklung
Eisenkern
a) Konstruktiver Aufbau
b)
b) Funktionsprinzip
Bild 14.3.5:
Induktiver supraleitender Strombegrenzer
Die Supraleitertechnologie und damit auch supraleitende Kurschlussstrombegrenzer bieten
Möglichkeiten, die mit konventionellen Schaltgeräten nicht bereitgestellt werden können. Die
Vorteile müssen unter Systemgesichtpunkten und nicht nur auf das Schaltgerät bezogen
gesehen werden.
Das erste Beispiel zeigt eine aus dem 110-kV-Netz gespeiste Mittelspannungsanlage, bei der
die beiden Sammelschienen über einen supraleitenden Strombegrenzer gekuppelt sind und zusätzlich
Transformatoren mit niedriger Kurzschlussspannung in Reihe mit Strombegrenzern
eingesetzt sind (Bild 14.3.6). Zurzeit sind die Transformatoren so ausgelegt, dass die Kurzschlussleistung
in der Mittelspannungsstation auf 250 MVA begrenzt ist. Die zulässige Kurzschlussleistung
der Station ist zwar 350 MVA, doch Netzstationen mit einer Kurzschlussleistung
von nur 250 MVA, die direkt an die Mittelspannungssammelschiene angeschlossen
sind, erfordern eine entsprechende Begrenzung. Darüber hinaus muss die Anlage mit zwei
getrennten Sammelschienen betrieben werden. Durch den Einsatz von Strombegrenzern in
den Einspeisefeldern und in der Kupplung kann die Kurzschlussleistung von 250 MVA auf
800 MVA mehr als verdreifacht werden. Durch diese Maßnahme lässt sich aber auch im
Normalbetrieb der geringe Innenwiderstand des Netzes vorteilhaft nutzen; denn in diesem
Fall führen selbst größere Laststöße, z. B. durch Verbraucher im Impulsbetrieb, nur zu
geringen Spannungsschwankungen. So können auch "unruhige" Verbraucher in der
Mittelspannungsebene angeschlossen werden und der Anschluss an eine höhere
Spannungsebene kann ggf. entfallen.
190

40 MVA
u k = 10.0 %
S sc = 400
MVA
110 kV
S sc = 400
MVA
40 MVA
u k = 10.0 %
10 kV
SFCL
Ring main units
S sc max = 250 MVA
SFCL
S sc max = 350 MVA
SFCL
Perturbing
customer,
high loadings
Bild 14.3.6:
Systemtechnische Vorteile
durch Einsatz von SFCLs;
Einsatz von SFCLs im Kuppelfeld
und in Trafofeldern
Eine ähnliche Situation existiert beim Anschluss von dezentralen Erzeugungsanlagen an das
Mittelspannungsnetz (Bild 14.3.7). Hier wird es immer schwieriger, die entsprechenden Generatoren
ohne Kurzschlussstrombegrenzung anzuschalten. Meist wird der maximale Kurzschlussstrom
bereits durch einspeisende Transformatoren aus dem überlagerten Netz erreicht,
so dass kein Spielraum mehr für zusätzliche Kurzschlussstrombeiträge von dezentralen Energieerzeugungsanlagen
ist. Daher müssen diese Generatoren heute über Generatortransformatoren
an das 110-kV-Netz geschaltet werden. Mit Hilfe von Kurzschlussstrombegrenzern
können diese Generatoren jedoch ans Mittelspannungsnetz angeschlossen werden.
110 kV
Maschinen-
Transformator
vorhandener
Netztransformator
SFCL
10 kV
G
5...50 MVA
10-kV-Netz
Bild 14.3.7:
Einbindung von dezentralen
Energieerzeugungsanlagen
mittels SFCL
Ein weiteres Beispiel beschäftigt sich mit der Kupplung von 110-kV-Netzgruppen
(Bild 14.3.8). Das 110-kV-Netz ist unterteilt in verschiedene Netzgruppen, um den
Bemessungs-Kurzschlussstrom von 31,5 kA nicht zu überschreiten. Der heutige Zustand für
zwei Netzgruppen kann aus Bild 14.3.8 a entnommen werden. Bei der Auslegung der
einspeisenden Transformatorkapazität wird das (n-1)-Kriterium zu Grunde gelegt, d.h. der
Ausfall eines Transformators muss berücksichtigt werden.
191

a)
Karn
Die einspeisende Transformatorkapazität 380 kV kann erheblich reduziert werden, wenn zwei Netzgruppen
über Strombegrenzer gekuppelt Huellen werden (Bild 14.3.8 b). Bei einem
Nordl
Transformatorausfall in einer Netzgruppe kann 380 kV die Reserveleistung von der anderen
380 kV
Netzgruppe geliefert werden. Im Kurzschlussfall begrenzt der Strombegrenzer den
Gelsenb
Kurzschluss-Strom Bp auf zulässige Ge Werte. Im vorliegenden Fall sind die Kosteneinsparungen
220 kV
für zwei 380/110-kV-Transformatoren einschl. der dazugehörenden Schaltfelder in der
Thyssen
Eiberg
Größenordnung von 10 Mio. € zu erwarten. Unter Voraussetzung einer Kostenrelation
220 kV
220 kV
zwischen konventionellem Leistungsschalter und supraleitendem Strombegrenzer von 1:10
bis 1:20 könnte eine
380
sehr
kV
wirtschaftliche Lösung durch die a) Installation des Strombegrenzers
erreicht werden.
Rosend
He
b)
SFCL
Nordl
380 kV
Thyssen
220 kV
Bild 14.3.8:
Karnap
380 kV
Bp
Ge
Huellen
380 kV
Gelsenb
220 kV
Eiberg
220 kV
380 kV
Rosend
Betrieb von 110-kV-Netzgruppen
b) Kupplung der Netzgruppen mit
supraleitenden Strombegrenzern
Aufbau und Auslegung eines 10-kV-Strombegrenzers (Demonstrator „CURL 10“)
Die wesentlichen Abmessungen und Materialeigenschaften sowie der Aufbau eines 10-kV-
Strombegrenzers, der als Demonstrator im Projekt „CURL 10“ realisiert wurde, gehen aus
Bild 14.3.9 hervor.
BSCC 2212-Modul Hersteller NEXANS
l coil : 30 cm
Ø coil : 5 cm
l cond : 5,4 m A cond : 0,24 cm 2
T : 66 K Jc : 3600 A/cm 2
Emax : 1 V/cm
Stabilisierung
BSCCO 2212
(Faserverstärktes
Epoxi-Rohr)
gelötet
Isolation
Shunt
CuNi-Legierung
192
Bild 14.3.9:
Materialeigenschaften,
Abmessungen und Aufbau eines
Strombegrenzer-Moduls

Dieser dreiphasige Strombegrenzer besteht aus 3 x 30 rohrförmigen Modulen des Supraleitermaterials
BSCC 2212. Die 30cm langen Rohre sind als bifilare Spulen ausgebildet mit
einer Leiterlänge von 5,4 m. Das Supraleiterrohr wird durch ein faserverstärktes Epoxydharz-
Rohr gestützt. Auf dem Supraleiter ist ein Shunt aus einer CuNi-Legierung aufgelötet. Die
Spalte zwischen den Windungen und die Oberfläche sind mit Isoliermaterial überzogen.
a)
Rohrverb. für
Flüssigstickst.
b)
bifilare
Spulen
30 Elemente in
Reihe / Phase
Die gesamte Anordnung befindet sich in einem mit flüssigem Stickstoff gefüllten Kryostaten
(Bild 14.3.11). Der Kryostat wird von zwei Kältemaschinen versorgt, die redundant ausgelegt
sind. Die Kühlleistung ist mit 1450 W so bemessen, dass die Wärmeverluste der Kältemaschine,
die AC Verluste der Supraleitermodule und die ohmschen Verluste in den Kupfer-
Durchführungen
Kupferverbindungen
Montageplatte
Bild 14.3.10:
Aufbau des dreiphasigen Strombegrenzers
a) Strombegrenzermodule
b) Kompletter Strombegrenzer ohne Kryostat
thermische
Isolation
BSCCO 2212
Elemente
Die Strombegrenzermodule sind auf einer Isolierstoffplatte hängend und stehend montiert
(Bild 14.3.10a). Pro Phase werden 30 Module über Kupferverbindungen in Reihe geschaltet.
Bild 14.3.10b zeigt die gesamte Einheit außerhalb des Kryostat-Kessels. Die Strombegrenzer-
Module hängen am Deckel des Kryostaten, an dem auch die Stormdurchführungen und die
Verbindungsleitungen für den flüssigen Stickstoff angebracht sind.
Sicherheitseinrichtung
Rohrverb. für
Flüssigstickst.
Durchführungen
Kryokühlmaschine
Sicherheitseinr.
Rohrverb. für
Flüssigstickst.
Kryostat;
Flüssig- N 2
Kryokühlmaschine
Durchführungen
Kryostat;
Flüssig-N 2
Bild 14.3.11: Vollständiger supraleitender Strombegrenzer
193

verbindungen der Module gedeckt werden können. Dielektrisch ist das System für eine
Bemessungs-Stehwechselspannung von 28 kV und eine Bemessungs-Stehblitzstoßspannung
von 75 kV zwischen den Phasen und gegen den geerdeten Kessel ausgelegt. Für den Havariefall
(Lichtbogen im Inneren des Kryostaten) ist der für einen Überdruck von 10 bar ausgelegte
Kessel mit einer Sicherheitseinrichtung ausgerüstet.
Prüfungen an Modulen und am Demonstrator
Laborversuche an Modulen
Jedes Modul wurde in Vorversuchen mit einer spezifischen Spannung von 0,68 V/cm, gut
10% über der Bemessungsspannung, geprüft. Der prospektive Strom betrug bis zu 10 kA,
welches einer Leistung von > 130 kVA pro Modul entspricht.
Vor den abschließenden Versuchen am vollständigen Strombegrenzer wurde in einem
Zwischenschritt ein Mehrkomponenten-Test durchgeführt.
Ziel dieser Versuche war es:
• die zuverlässige Begrenzung
• die Spannungsfestigkeit bei Blitzüberspannung
• das Verhältnis Betriebsstrom zu Begrenzungsstrom
zu überprüfen.
Bild 14.3.12 zeigt ein Beispiel der Strombegrenzung. Der prospektive Kurzschlussstrom von
17,2 kA Scheitelwert wurde auf den Scheitelwert von 7,3 kA begrenzt. Nach Überprüfung der
AC-Verluste nach jedem Versuch konnte eine Degradation an den Modulen ausgeschlossen
werden.
a) b)
Strom / kA
prospektiver
Kurzschl.-Str.
Spannung / kV
Spannung / V
t / ms
Strom- & Spannungsverlauf
t / ms
Spannungsverteilung an den
verschiedenen Komponenten
Bild 14.3.12: Komponententest
a) Strombegrenzung Prospektiver Strom 18 kA (Scheitelwert)
b) Spannungsverteilung über Module
Um den Einfluss eines Folgeblitzes während eines Begrenzungsvorganges zu simulieren,
wurde eine Blitzüberspannung mit 75 kV Scheitelwert dem 4. Maximum des begrenzten
Kurzschlussstromes überlagert. Dabei ist zu bedenken, dass die Spannungsfestigkeit des
umgebenden flüssigen Stickstoffs durch den Quenchvorgangs gemindert ist. Bei diesen
Versuchen wurde jedoch kein Überschlag oder keine Entladung beobachtet. Damit wurde
auch eine ausreichende Spannungsfestigkeit bei Blitzüberspannungen während der Strombegrenzung
nachgewiesen.
194

Laborversuche am vollständigen Demonstrator
Nach Montage des dreipoligen Gerätes wurden einphasige und dreiphasige Kurzschlussversuche
im Labor durchgeführt. Die Betriebstemperatur des Strombegrenzers wurde mit den
zwei Stirlingmaschinen auf 66 K gehalten. Zum Nachweis der einwandfreien dielektrischen
Festigkeit nach Montage erfolgte zuvor eine Spannungsprüfung am vollständigen Gerät mit
28 kV Wechselspannung zwischen den Phasen und gegen den geerdeten Kryostaten.
Bild 14.3.13:
Dreiphasige Kurzschlussstrombegrenzung
Für die Kurzschlussversuche wurde ein Strom von 10 kA, 17 kA und 18 kA und eine Stromflussdauer
von 60 ms eingestellt. Bild 14.3.13 zeigt die transienten Ströme. Der erste Scheitelwert
erreicht max. 7,2 kA. In der letzten Halbwelle beträgt der Strom etwa 2,1 kAeff.
Feldversuche am Demonstrator
Im März 2004 wurde der Demonstrator in der 10-kV-Anlage Netphen für einen
Langzeitversuch installiert. Der Strombegrenzer ist hier zu Kupplung der beiden
Sammelschienen eingesetzt (Bild 14.3.14).
Einsatz des Demonstrators in 10-kV-SS-Kupplung
der UA Netphen
15 MVA
k = 12,5 %
110 kV
S k = 125 MVA
Wesentliche Daten:
Spannung 12 kV
Strom
600 A
Begrenz.-Zeit 60 ms
Max. Strom 8,75 kA
Temperatur 65 K
Max. E-Feld 0.6 V/cm
MCP-BSCCO2212 bifilare Spule
10 kV
SSB
X
Unruhige Verbraucher,
hohe Lasten
Photo: ACCEL, Germany
Bild 14.3.13: Feldversuch mit Demonstrator, Versuchschaltung
Der Strom über die Kupplung kann bis zu 600 A betragen, liegt aber im Normalbetrieb wegen
der gleichmäßig ausgelasteten Sammelschienen unter 200 A. Die Anlage ist in das ländliche
Freileitungsnetz eingebunden, so dass Kurzschlüsse durch Blitzeinschläge in die
Freileitungen erwartet wurden. Bei gekuppeltem Betrieb ergibt sich eine Kurzschlussleistung
entsprechend der Kurzschlussspannung der beiden Transformatoren von 2 x 125 MVA = 250
195

MVA, was bei einem Sammelschienen nahen Fehler einem Kurzschlussstrom von 2 x 7 kA =
14 kA entspricht. Durch den Strombegrenzer kann ein Teilstrom auf ca. 8 kA (Scheitelwert)
begrenzt werden. Da der Strombegrenzer für eine max. Begrenzungszeit von 60 ms ausgelegt
ist, wird ein konventioneller Leistungsschalter in Reihe geschaltet. Dieser Leistungsschalter
wird beim Ansprechen des Strombegrenzers ausgelöst und schützt somit den Strombegrenzer
vor thermischer Überlastung.
Währende der Betriebszeit von ca. einem Jahr trat nur ein Kurzschluss in einem Leitungsabzweig
auf. Der folgende Begrenzungsvorgang wurde allerdings wegen Überreaktion des
Schutzes unselektiv durch den Leistungsschalter in der Kupplung abgeschaltet.
Nach der einjährigen Betriebszeit wurde das Alterungsverhalten durch Messung der AC-Verluste
überprüft. Der Vergleich mit den Werten vor Inbetriebnahme zeigt keine
Abweichungen, so dass eine Materialalterung während des Betriebes ausgeschlossen werden
kann.
AC -Verluste / W
600
500
400
300
200
Bei Inbetriebnahme, 03-2004
CURL10, 11. März 04, Netphen
L1-I niedrig
c
L2-I mittel
c
L3-I hoch
c
100
65 K
0
0 100 200 300 400 500
Strom / A
AC -Verluste / W
1050
900
750
600
450
300
150
Nach Feldversuch, 08-2005
Date: 09.08.05
Phase-1
Phase-2
Phase-3
File: ph1-66.5K
0
0 100 200 300 400 500 600
Strom / A
Bild 14.3.14: AC-Verluste vor Inbetriebnahme und nach Abschluss des
Feldversuches
Die Entwicklung eines 110-kV-Demonstratores zum Einsatz in einer 110-kV-
Sammelschienen-Kupplung, der unter wirtschaftlichen Gesichtspunktion von besonderem
Interesse ist, zeigte, dass eine Lösung mit den Modulen des 10-kV-Demonstrators zu
aufwändig ist. Um dieses Ziel zu erreichen, muss eine Bauweise für die Module gefunden
werden, die eine höhere Auslastung der Module erlaubt. Die Entwicklungsarbeiten werden
z. Z. fortgesetzt.
196