Die Durchführung ist für das Gesamtvorhaben ein essenzieller Bestandteil. Sie wird benötigt, um beim resistiven supraleitenden Strombegrenzer (eng. super conducting fault current limiter, kurz: SFCL) das elektrische Potential sicher durch die geerdete Kryostathülle zu den Hochtemperatur-Supraleiter-Elementen (kurz: HTS-Elemente) zu leiten. Dabei ist in erster Linie die dielektrische Auslegung entscheidend. Üblicher Anwendungsfall einer Durchführung ist die Leitung der Hochspannung durch eine geerdete Wand oder ein Gehäuse von einer Isolierstoffumgebung in eine andere (z.B. Luft/Öl, Luft/Gas). Im vorliegenden Fall besteht die Isolierstoffumgebung jedoch aus tiefkaltem Stickstoff, der sowohl als Flüssigkeit als auch als Gas vorliegen kann. Die dielektrischen Eigenschaften von flüssigem Stickstoff sind nur teilweise bekannt. Die technische Auslegung einer 380 kV-Durchführung für den Einsatz im flüssigen Stickstoff gilt somit als technisches Neuland. Ebenfalls wichtig ist die Betrachtung des thermomechanischen Verhaltens. Während sich die eine Seite der Durchführung in flüssigem Stickstoff befindet, ragt die andere Seite aus dem Kryostaten heraus und erfährt somit Umgebungstemperatur. Über die gesamte axiale Länge der Durchführung besteht also ein Temperaturunterschied von etwa 200 K wodurch sich im Isoliermaterial thermische Spannungen aufbauen. Hinzu kommt aufgrund der Anforderung eines Nennstromes von 5 kA und einer dadurch erhöhten Leitertemperatur ein Temperaturgradient in radialer Richtung. Insbesondere der initiale Füllvorgang des Kryostaten mit flüssigem Stickstoff stellt dabei eine thermodynamische Belastung dar. Da die Durchführung und ihr Flansch Teil der Kryostat-Hülle sind, müssen entsprechende Anforderungen an die Dichtigkeit und die Druckbeständigkeit berücksichtigt werden. Ziel des Vorhabens ist es also eine Durchführung zu entwickeln, herzustellen und einer Typprüfung zu unterziehen, die für den Einsatz im SFCL unter kryogenen Bedingungen geeignet ist.
Durch den erforderlichen Aus- und Umbau der Übertragungsnetze steigen die Kurzschlussleistungen und Kurzschlussströme an. Da konventionelle Maßnahmen zunehmend an ihre Grenzen stoßen, soll in diesem Projekt die Schlüsseltechnologie für einen 380 kV, 5 kA, 3.3 GVA supraleitenden Strombegrenzer entwickelt werden, um in einer nächsten Phase mit der Entwicklung eines einphasigen Prototyps beginnen zu können. Das Siemens Energy Teilvorhaben konzentriert sich auf die Entwicklung eines konzeptionellen Designs eines supraleitenden Strombegrenzers für die 380 kV Höchstspannungsebene. Ziel ist es, technische Risiken zu identifizieren und zu minimieren, um die Integration eines solchen Strombegrenzers in eine bestehende Umspannstation zu ermöglichen. Darüber hinaus werden die ökonomischen Erfolgsaussichten dieser Technologie im Vergleich zu herkömmlichen Maßnahmen zur Kurzschlussstromreduzierung bewertet.
Das wesentliche übergeordnete Projektziel ist die Entwicklung der Schlüsseltechnologie für einen 380 kV, 5 kA, 3.3 GVA supraleitenden Strombegrenzer, damit bei einem erfolgreichen Verlauf des Projektes direkt mit der Entwicklung eines einphasigen Prototyps begonnen werden kann. Das wesentliche Ziel des KIT Teilprojektes ist die Entwicklung eines strombegrenzenden Moduls entsprechend der in der Machbarkeitsstudie und den Detailanforderungen genannten Eigenschaften. Dazu sind zunächst geeignete hochtemperatur-supraleitende Bandleiter von verschiedenen Herstellern zu beschaffen und erfolgreich zu qualifizieren. Die einzelnen Bandleiter sind danach als mit Kapton isolierte Doppelleiter zu fertigen, da nur damit die Anforderungen erfüllt werden können. Danach ist gemeinsam mit dem Industriepartner das strombegrenzende HTS Modul zu entwickeln, aufzubauen und zu testen. Parallel dazu erfolgt die Entwicklung geeigneter und in Standardsoftware für die Netzberechnung nutzbarer Simulationsmodelle. Ein weiteres wichtiges Teilziel ist die hochspannungstechnische Auslegung des Strombegrenzers mittels elektrostatischer 3D Feldberechnungen.
Durch den erforderlichen Ausbau der Übertragungsnetze steigen die Kurzschlussströme im Fehlerfall an, so dass konventionelle Maßnahmen zunehmend an ihre Grenzen stoßen. Der supraleitende Strombegrenzer vereint alle Eigenschaften eines idealen Kurzschlussstrombegrenzers, da er im Normalbetrieb keine Impedanz besitzt, diese jedoch schnell und eigensicher im ersten Stromanstieg aufbaut und somit den Kurzschlussstrom zuverlässig begrenzt. Der Strombegrenzer besteht dabei aus in Reihe geschalteten Modulen, die mit supraleitenden Bandleitern in Form von multifilaren Spulen aufgebaut sind. Die Module werden innerhalb eines Kryostaten in Flüssigstickstoff betrieben und mittels Hochspannungsdurchführungen vom Außenraum durch die Kryostatwand kontaktiert. Ziel dieses Teilprojektes ist die Entwicklung eines zuverlässigen und kompakten Hochspannungsdesigns eines supraleitenden Strombegrenzers für die Anwendung im 380 kV Übertragungsnetz. Hierzu soll die räumliche Spannungsverteilung im Strombegrenzer und in den einzelnen Modulen in Anhängigkeit der durch das Netz hervorgerufenen transienten Spannungsbelastungen bestimmt werden. Besonderes Augenmerk muss dabei auf die elektrische Wicklungsisolierung zwischen den supraleitenden Bandleiterwindungen der Module gelegt werden. Diese Isolierung wird in Abhängigkeit der auftretenden stationären und transienten Spannungsbelastungen dimensioniert. Ein weiterer kritischer Punkt ist die Entwicklung einer kompakten kryogenen 380 kV Hochspannungsdurchführung, für die in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern elektrische und mechanische Eigenschaften der verwendeten Materialien untersucht und Dimensionierungskriterien zur Skalierung der Konstruktion mit steigender Spannung festgelegt werden. Schließlich wird für die Typprüfung der Hochspannungsdurchführung und zur Messung der Durchschlagsfestigkeit von Flüssigstickstoff bei sehr großen Isolationsabständen ein Testkryostat entwickelt und aufgebaut.
Das wesentliche Zeil dieses Teilprojektes ist Untersuchung der möglichen Anwendungsszenarien von supraleitenden Strombegrenzern im deutschen Übertragungsnetz und die Untersuchung der Systemintegration aus Sicht des Netzbetreibers. Bisher liegen keine Betriebserfahrungen mit supraleitenden Strombegrenzern im deutschen Hoch- und Höchstspannungsnetz vor. Deshalb ist es die folgenden Arbeitsziele in dem Projekt anvisiert: - Die Bereitstellung von Netzdaten aller deutschen Netzverknüpfungspunkte, um eine systematische Bewertung mit verschiedenen Alternativen zur Strombegrenzung zu ermöglichen. - Die technische und wirtschaftliche Bewertung des supraleitenden Strombegrenzers an den attraktivsten Netzverknüpfungspunkten mit Alternativen zur Kurzschlussstrombegrenzung. - Die Aufstellung von Netzanforderungen für den Einsatz supraleitender Strombegrenzer im Übertragungsnetz - Die Durchführung von Netzberechnungen zur Überprüfung der Auswirkungen des Einsatzes supraleitender Strombegrenzer und zur Überprüfung der Einhaltung wichtiger Netzanforderungen. - Das Aufstellen von Schutz-, Störungs- und Wartungskonzepten aus Sicht des Netzbetreibers