Research and Technology Development on  Superconducting Current Limiting Transformers
Creators: name: Hellmann, Sebastian
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Transformator
Strombegrenzer
Supraleitung
Quench
Kurzschlussstrom
Vermaschung
Hochtemperatursupraleiter

description: Moderne Energieübertragungsnetze unterliegen ständigen Veränderungen hin zu höherer Übertragungseffizienz, zu größeren Leistungsdichten in Ballungsgebieten und Innenstädten und hin zu einer zunehmenden Dezentralisierung der Energieeinspeisung auf den unteren Spannungsebenen. Die nötige Anpassung der Netztopologie an die genannten Punkte führt oft zu einer Reduktion der Netzimpedanz und zu einer Zunahme der Vermaschung des Stromnetzes. Eine geringere Netzimpedanz führt in Fehlerfällen im Stromnetz jedoch auch zu einem Anstieg der Kurzschlussleistungen. Ebenso kann, bei einer dichteren Vermaschung des Stromnetzes, ein auftretender Fehler weitreichendere Konsequenzen haben und den sicheren und unterbrechungsfreien Netzbetrieb stärker gefährden. 
Neuartige Netzkomponenten, basierend auf supraleitenden Materialien, können hier Abhilfe schaffen und durch signifikante Vorteile gegenüber konventionellen Netzkomponenten und Schutzeinrichtungen zu einem unterbrechungsfreien und verlässlichen Netzbetrieb beitragen sowie die steigenden Auswirkungen von Netzfehlern effizient eindämmen. Die vorliegende Arbeit zeigt dies am Beispiel eines Transformators, der mit einer supraleitenden Sekundärwicklung ausgestattet ist. Die intrinsischen Eigenschaften des supraleitenden Materials erweitern hierbei den Transformator um die Fähigkeit, auftretende Kurzschlussströme im Stromnetz aktiv und effizient zu reduzieren. Im Vergleich zu konventionellen Netzschutzeinrichtungen geschieht dies ohne nennenswerte Verzögerung nach dem Auftreten des Fehlers. In den Kapiteln dieser Arbeit wird das nötige Grundwissen zur Supraleitung, zur Funktionsweise und zur Konzeptionierung von supraleitenden strombegrenzenden Transformatoren dargestellt. Weiter wird das theoretisch erarbeitete Wissen im Bau eines Labordemonstrators der 1 MVA Leistungsklasse und dessen anschließender experimenteller Evaluierung angewandt. Die einzelnen Abschnitte der vorliegenden Arbeit und deren Inhalt sind im Folgenden kurz zusammengefasst: 
Kapitel 1 vermittelt die Grundlagen der Supraleitung und deren Anwendung in der Energietechnik. Hierbei wird speziell auf Zusammenhänge eingegangen, die für die Konstruktion und den Bau eines strombegrenzenden supraleitenden Transformators von Wichtigkeit sind. Das Kapitel wird abgeschlossen mit einer Literaturrecherche zum Stand der Technik von supraleitenden Transformatoren und zu weiteren Anwendungen der Supraleitung in der Energietechnik. Im zweiten Kapitel der Arbeit wird der Auslegungsvorgang für supraleitende Transformatoren mit strombegrenzenden Eigenschaften erarbeitet. Hierzu wir ein Verfahren vorgestellt, mit welchem die zu erwartenden transienten Eigenschaften eines Transformatorentwurfs simuliert und optimiert werden können. Das zweite Kapitel endet mit der Vorstellung des erarbeiteten Designs für einen supraleitenden strombegrenzenden Transformator der 1 MVA Leistungsklasse, welcher im weiteren Verlauf dieser Arbeit als Labordemonstrator gebaut und experimentell untersucht wird. 
Kapitel 3 beschreibt verschiedene experimentelle Untersuchungen an supraleitenden Bandleitern, die durchgeführt wurden um deren Eignung zum Einsatz in strombegrenzenden Transformatoren festzustellen. Die Untersuchungsergebnisse werden anschließend verwendet, um den Auslegungsvorgang für supraleitende Transformatoren zu optimieren und um einen geeigneten, kommerziell erhältlichen Supraleiter zum Einsatz in dem entworfenen supraleitenden Transformator festzulegen. In Kapitel 4 wird der Aufbau des supraleitenden strombegrenzenden Transformators beschrieben. Hierbei wird auf die einzelnen Transformatorkomponenten im Detail eingegangen und es werden die konstruktiven Details des Aufbaus erläutert. 
Im fünften Kapitel der Arbeit werden die experimentellen Untersuchungen an dem gebauten supraleitenden Transformator vorgestellt. Das Kapitel umfasst die Beschreibung der durchgeführten Messungen als auch der verwendeten Messmethoden und Laboraufbauten. Die beschriebenen Messungen behandeln die Effizienz der Strombegrenzung des Transformators im Fehlerfall, den Wirkungsgrad und die Verlustmechanismen des Transformatoraufbaus bei verschiedenen Belastungen, die AC-Verluste der verwendeten Supraleiter als auch die Effektivität des eingesetzten Kühlkonzepts. 
Kapitel 6 stellt die Ergebnisse der durchgeführten Messungen vor und diskutiert diese im Detail. Hierbei wird gezeigt, dass der gebaute Transformator bei einem Kurzschluss den Fehlerstrom im Maximum der ersten Halbwelle auf 68 % des prospektiven Kurzschlussstroms reduziert und dieser im Verlauf der Strombegrenzung weiter, auf unter 30 % des prospektiven Wertes absinkt. Die durchgeführten Verlustmessungen zeigen eine Gesamteffizienz von 99.08%für ein dreiphasiges Transformatormodell unter Volllast. Darin enthalten sind die gemessenen AC-Verluste des Supraleiters mit 633 W. Weiter wird die Bestimmung der relativen Kurzschlussspannung zu 2.89 % gezeigt. 
Zusätzlich werden die Messergebnisse mit den, in Kapitel 2 erarbeiteten Simulationsergebnissen verglichen und zu einer weiteren Optimierung des vorgestellten Auslegungsvorgangs verwendet. Zwischen den Mess- und Simulationsergebnissen zeigt sich hierbei eine sehr gute Übereinstimmung, welche die Richtigkeit der verwendeten Simulationsmodelle bestätigt.
Abschließend wird das Gesamtergebnis der vorliegenden Arbeit zusammengefasst und es wird ein Ausblick auf zukünftig mögliche Forschungsarbeiten zum Einsatz von supraleitenden strombegrenzenden Transformatoren aufgezeigt.