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Ein Supraleiterkabel benötigt im Vergleich zu herkömmlichen Kabeln gleicher Übertragungskapazität sehr viel weniger Platz.
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Die Strombegrenzer der drei Phasen befinden sich in separaten Kryobehältern.
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Eiskalt und schlank im Untergrund

Das Kabel, das die beiden Umspannstationen verbindet, ist konzentrisch aufgebaut und nur 15 cm stark. Ein flexibles Edelstahl-Wellrohr bildet die Mittelachse als Vorlaufleitung für den flüssigen Stickstoff, der das Kabel kühlt. Es wird umhüllt von den Supraleitern für die drei Stromphasen, die jeweils durch Isolationsschichten getrennt sind. Nach einer weiteren Isolierung folgt eine Kupferschirmung als Neutralleiter. Der gesamte Aufbau wird von dem zurückströmenden Stickstoff vor Wärmeeintrag geschützt. Als äußere „Thermoskanne“ für das Supraleiterkabel dient ein doppelwandiges evakuiertes Edelstahl-Wellrohr, der sogenannte Kryostat. Im Zwischenraum reduziert eine mit Aluminium bedampfte Folie als zusätzliche Superisolation die Wärmeeinstrahlung. Das gesamte Kabel wird von einer Polyethylen-Ummantelung geschützt.

Obwohl das Supraleiterkabel bei gleichem Durchmesser etwa fünfmal mehr Strom als ein konventionelles 10.000-Volt-Kabel überträgt, verursacht es praktisch keine elektrischen Übertragungsverluste. Damit ist auch Bodenaustrocknung durch die Kabelverlustwärme ausgeschlossen. Da das HTS-Kabel keine magnetischen Felder verursacht, kann es problemlos in bereits bestehenden Kabelschächten verlegt und in direkter Nähe zu empfindlichen Datenkabeln betrieben werden.

In der Technikzentrale

Die Technikzentrale befindet sich in der Umspannanlage Herkules. Hier versorgt ein Kryotank das Kabel mit flüssigem Stickstoff. Ein U-Bogen am Leitungsende kompensiert die Längenänderung des Supraleiterkabels beim Herunterkühlen. Auch der Kurzschlussstrombegrenzer ist dort installiert. Er verhindert, dass sich das Kabel durch einen Kurzschluss erwärmt. Andernfalls würde es mehrere Stunden dauern, das Kabel so weit zu kühlen, dass es wieder einsatzfähig ist.

Auch der Strombegrenzer nutzt Supraleiter

Die supraleitenden Strombegrenzer-Module für die drei Phasen des Stromnetzes sind in Reihe mit dem Supraleiterkabel geschaltet. Ihre Wechselstrom-Widerstände sind im supraleitenden Normalbetrieb extrem gering, sodass sie den Stromfluss nicht beeinflussen. Überschreitet die Stromdichte jedoch einen materialabhängigen Schwellenwert, kommt es zum Quench. Die Supraleitung bricht zusammen und es baut sich innerhalb von Millisekunden, ein elektrischer Widerstand auf. Der Kurzschlussstrom wird so automatisch begrenzt. Der Strombegrenzer arbeitet völlig selbstständig und ist eigensicher. Während bei dem Supraleiterkabel Bänder mit Material der ersten Generation (BISCCO) verwendet werden, arbeitet der Kurzschlussstrombegrenzer mit Hochtemperatursupraleitern der zweiten Generation. Sie bestehen aus einer wenige Mikrometer dünnen Schicht supra-leitenden Materials (Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid, YBCO genannt), die auf Metallbänder aufgebracht ist. Die geringe Wärmekapazität der dünnen Bänder ermöglicht eine schnelle Rückkühlung. Deshalb geht der Strombegrenzer bereits nach kurzer Abkühlphase ohne weitere Wartung automatisch wieder in Betrieb. Kabel und Strombegrenzer sind für einen Betriebsstrom von 2.310 Ampere, eine Nennspannung von 10 kV und eine Nennleistung von 40 MW ausgelegt. Sie ersetzen damit ein 110-kV-Kabelsystem gleicher Kapazität.

Stickstoff unterkühlt

Die Kabelspezifikationen erfordern am Kabeleintritt eine Vorlauftemperatur des Stickstoffs von minus 206 °C. Das Flüssiggas erwärmt sich dann bis zum Kabelaustritt auf minus 201 °C. Ein Unterkühler kühlt es über einen Wärmetauscher auf die erforderliche Eintrittstemperatur zurück. Der vom Kältespezialist Messer gelieferte Unterkühler besteht aus einem mit flüssigem Stickstoff gefüllten Kryostat. Vakuumpumpen erzeugen darin einen Unterdruck, wodurch die Verdampfungsrate steigt. Die Verdampfungskälte kühlt den Stickstoff auf minus 209 °C ab.

Erfahrungen aus dem Testbetrieb

Das Supraleitersystem wurde nach ausführlichen Tests und Messungen Ende April 2014 offiziell in Betrieb genommen.

In den ersten Betriebswochen mussten die Techniker einige Herausforderungen meistern. Eine davon war die Spannungssymmetrie, denn das Supraleiterkabel ist – im Gegensatz zu klassischen Kupferkabeln – konzentrisch aufgebaut. Aufgrund des isoliert betriebenen 10-kV-Netzes waren im Leerlauf des Kabels die Spannungen der drei Leiter zunächst unterschiedlich hoch, sodass das Kabel durch Schutzeinrichtungen vom Netz getrennt wurde. Durch die Installation von Kondensatoren ließ sich die erforderliche Spannungssymmetrie herstellen und das Kabel ins Netz integrieren.

Ein Unwetter führte am Pfingstmontag des Jahres 2014 in der Umspannanlage Herkules zu einer Kurzunterbrechung und in Folge zu einer automatischen Abschaltung der Umwälzpumpen im Kühlkreislauf. Um solche Abschaltungen in Zukunft möglichst zu vermeiden, wurde die Empfindlichkeit des Kontrollsystems herabgesetzt.

Kurz- und Erdschlussversuche

Da seit Inbetriebnahme des supraleitenden Systems bis zum Juni 2015 kein Kurzschlussereignis in diesem Netzgebiet im laufenden Betrieb aufgetreten war, hat der zuständige Netzbetreiber Westnetz im Sommer Kurzschlussversuche unter realen Bedingungen durchgeführt. Hierfür wurde das Kabel vom Netz isoliert und ohne Last betrieben. In vier Versuchen mit ein-, zwei- und dreipoligen Kurzschlüssen hat das HTS-System bewiesen, dass es praxisrelevante Kurzschlüsse schadlos beherrscht. „Das HTS-System beherrscht nicht nur sicher den ungestörten Dauerbetrieb, sondern auch relevante Betriebssituationen im gestörten Betrieb im praktischen Netzeinsatz“, zeigte sich Projektleiter Dr. Frank Merschel erfreut. Durch seine Schutzfunktion begrenzt der supraleitende Strombegrenzer die Dauer des Kurzschlusses auf maximal 150 ms. Alle geprüften Kurzschlussszenarien konnten von dem System sicher beherrscht werden. Die Schutzsysteme zeigten eine einwandfreie Reaktion und Funktion, sodass keine Schäden am HTS-System oder an weiteren Primär- bzw. Sekundärkomponenten auftraten.

Projektinfo 01/2017:
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Adressen

Projektleitung
innogy SE

HTR-Kabel und Strombegrenzer
Nexans Deutschland GmbH

Wissenschaftliche Begleitung
KIT-ITEP

BINE-Projektinfo 01/2017
(PDF, 4 Seiten, 367 kB)

Infotipps

Hochtemperatur-Supraleiter
BINE-Projektinfo 6/2010

Supraleitende Strombegrenzer im Kraftwerk
BINE-Projektinfo 12/2011

Forschungsförderung

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