Hochtemperatur-Supraleiter für Kraftwerke und Netze

Supraleitende Strombegrenzer im Kraftwerk

Macht Anlagen sicherer und zuverlässiger

© KIT, Karlsruhe
Strom-/Spannungskennlinie eines Supraleiters (schematische Darstellung). © Nexans SuperConductors GmbH
Begrenzungsverhalten eines Supraleiters im Kurzschlussfall (schematische Darstellung): Blau: Kurzschlussfall (ohne Begrenzer), rot: mit Begrenzer. © Nexans SuperConductors GmbH

Supraleitende Strombegrenzer können wesentlich zur Erhöhung der Sicherheit, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit von elektrischen Anlagen in Kraftwerken beitragen. Darüber hinaus messen ihnen die Experten eine wichtige Rolle beim Ausbau der Stromnetze zu. Ein supraleitender Strombegrenzer wurde 2009 erstmals im Kraftwerk Boxberg zum Schutz der Eigenstromversorgung eingesetzt. In Kürze soll an gleicher Stelle ein System mit Supraleitern einer neuen Generation und mit optimierten Eigenschaften getestet werden.

Kurzschlüsse in Kraftwerken oder Stromnetzen sind teuer. Das gilt nicht nur für den Schadensfall, wenn hohe Ströme Systemkomponenten beschädigen und Ausfallszeiten verursachen. Schon beim Anlagenbau entstehen zusätzliche Kosten, denn jedes Bauteil muss auf die maximal mögliche Belastung bei einem Kurzschluss ausgelegt werden. Besonders ärgerlich ist es, wenn in bestehenden Anlagen funktionierende Bauteile aufgrund gestiegener Kurzschlussleistung auf einmal unterdimensioniert sind und nur deshalb ausgetauscht werden müssen. Eine Situation, die beim anstehenden Ausbau der Netze hin zu höheren Leistungen häufiger vorkommen dürfte. Mit supraleitenden Strombegrenzern (SSB) steht ein neues Werkzeug zur Verfügung, um so entstehende zusätzliche Kosten einzudämmen. Darüber eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten, Anlagen und Netze zu konzipieren.

Die Funktionsweise der Strombegrenzer beruht auf einem einfachen Prinzip: Kernstücke des Bauteils sind Supraleiter, die beim Unterschreiten einer materialspezifischen Temperatur ihren elektrischen Widerstand für Gleichstrom gänzlich verlieren. Bei Wechselstrom bleibt ein extrem geringer Restwiderstand. In einen Stromweg eingebaut beeinflusst der Supraleiter den Stromfluss somit im Normalfall überhaupt nicht. Dies gilt allerdings nur bis zu einer bestimmten Stromdichte im Supraleiter, wie aus der Strom-Spannungs-Kennlinie deutlich wird (s. Abb. 1). Steigt der Strom über einen Schwellenwert kommt es zum „Quench“. Die Supraleitung bricht zusammen und es baut sich schlagartig, innerhalb von Millisekunden, ein elektrischer Widerstand auf. Der Kurzschlussstrom wird somit automatisch begrenzt (s. Abb. 2). Da die Begrenzung nicht nur sehr schnell sondern auch sehr stark erfolgt, kann der begrenzte Strom eventuell geringer sein als gewünscht, um z.B. bestimmte Betriebszustände aufrecht zu erhalten. Das Design des SSB lässt sich jedoch den spezifischen Anforderungen anpassen. Mit einem zum Supraleiter parallelen Widerstand, dem Shunt, kann das für den Kurzschlussfall vorgesehene Stromverhalten wunschgemäß eingestellt werden. Der Strombegrenzer funktioniert völlig selbstständig und ist eigensicher. Bereits nach kurzer Abkühlphase geht er ohne weitere Wartung automatisch wieder in Betrieb.

Die Strombegrenzer arbeiten mit Hochtemperatur-Supraleitern, deren Sprungtemperatur oberhalb von 77 Kelvin liegt. Sie können daher problemlos mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Dieser steht als kostengünstiges Industrieprodukt zur Verfügung und kann entweder einfach nachgefüllt oder mit entsprechender Kühlanlage direkt im System rückverflüssigt werden.

Mehr zum Projekt

Entwicklung eines neuartigen supraleitenden YBCO-Tape-Strombegrenzers - ENSYSTROB

Der Abschlussbericht kann im OPAC der TIB Hannover recherchiert und eingesehen, aus urheberrechtlichen Gründen aber nicht im Internet bereitgestellt werden.

Projektbeteiligte:

Nexans SuperConductors GmbH

Förderkennzeichen:

03KP102A

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.