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Grundsatzuntersuchungen zum Schalten in Flüssigstickstoff-Umgebung mit Vakuumschaltern zur Anwendung in zukünftigen Hochtemperatur-Supraleitungs-Mittelspannungsnetzen

Golde, Karsten (2016)
Grundsatzuntersuchungen zum Schalten in Flüssigstickstoff-Umgebung mit Vakuumschaltern zur Anwendung in zukünftigen Hochtemperatur-Supraleitungs-Mittelspannungsnetzen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Mit Hilfe supraleitender Betriebsmittel ist es möglich, die Übertragungsverluste in Verteilungsnetzen zu reduzieren und gleichzeitig die Übertragungskapazität zu erhöhen. Hierdurch wäre sogar die Einsparung einer übergelagerten Spannungsebene möglich, wodurch sich die im Vergleich zu konventionellen Betriebsmitteln höheren Investitionskosten relativieren lassen. Zum Betrieb supraleitender Netze ist es erforderlich, alle Betriebsmittel in den Kühlkreislauf zu integrieren. Hierzu zählen auch Schaltgeräte. Aufgrund der Kühlung mit flüssigem Stickstoff kommt hierfür allerdings ausschließlich die Vakuumschalttechnik in Frage. Die Tauglichkeit von Vakuumschaltern wird im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Hierzu wird zunächst die Mechanik der Schaltröhren betrachtet. Materialuntersuchungen und Schaltexperimente bei Umgebungstemperatur und in flüssigem Stickstoff liefern Aufschluss über potentielle Problemstellen. Inder Folge wird der elektrische Widerstand der Schaltröhren betrachtet. Da das Kontaktsystem fast ausschließlich aus Kupfer besteht, sind ein verbleibender Restwiderstand und entsprechende thermische Verluste zu berücksichtigen. Da diese rückgekühlt werden müssen, erfolgt eine entsprechende Bewertung unter Berücksichtigung der Umgebungsparameter. Die dielektrische Festigkeit der Vakuumschaltröhren wird sowohl bei Umgebungstemperatur als auch direkt in flüssigem Stickstoff betrachtet. Hierfür werden an unterschiedlichen Schaltröhrentypen verschiedene Kontaktabstände eingestellt sowie zwischen innerer und äußerer dielektrischer Festigkeit unterschieden. Konditionierungs- und Dekonditionierungseffekte werden durch geeignete Wahl des Versuchskreises minimiert. Der Stromabriss und daraus entstehende Überspannungen gelten als einer der wenigen Nachteile der Vakuumschalttechnik. Mit Hilfe eines praxisnahen Versuchskreises wird die Höhe des Abreißstromes bestimmt und für unterschiedliche Temperaturen verglichen. Aufgrund der starken Streuung erfolgt die Auswertung mit Hilfe statistischer Methoden. Zum Abschluss wird das Kurzschlussstrom-Ausschaltvermögen in flüssigem Stickstoff untersucht. Die Prüflinge werden hierzu in einem synthetischen Prüfkreis mit steigenden Stromamplituden belastet, bis es zu dielektrischen Versagern kommt. Die Zusammenfassung der gewonnenen Ergebnisse zeigt, dass der Einsatz der Vakuumschalttechnik in supraleitenden Netzen möglich ist. Die Temperatur beeinflusst die Leistungsfähigkeit der Schaltröhre im Grunde nicht, weshalb ein Einsatz in flüssigem Stickstoff mit den gleichen Kennwerten erfolgen kann.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2016
Autor(en): Golde, Karsten
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Grundsatzuntersuchungen zum Schalten in Flüssigstickstoff-Umgebung mit Vakuumschaltern zur Anwendung in zukünftigen Hochtemperatur-Supraleitungs-Mittelspannungsnetzen
Sprache: Deutsch
Referenten: Hinrichsen, Prof. Dr. Volker ; Kurrat, Prof. Dr. Michael
Publikationsjahr: 15 Februar 2016
Ort: Darmstadt
Datum der mündlichen Prüfung: 24 Juni 2016
URL / URN: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5643
Kurzbeschreibung (Abstract):

Mit Hilfe supraleitender Betriebsmittel ist es möglich, die Übertragungsverluste in Verteilungsnetzen zu reduzieren und gleichzeitig die Übertragungskapazität zu erhöhen. Hierdurch wäre sogar die Einsparung einer übergelagerten Spannungsebene möglich, wodurch sich die im Vergleich zu konventionellen Betriebsmitteln höheren Investitionskosten relativieren lassen. Zum Betrieb supraleitender Netze ist es erforderlich, alle Betriebsmittel in den Kühlkreislauf zu integrieren. Hierzu zählen auch Schaltgeräte. Aufgrund der Kühlung mit flüssigem Stickstoff kommt hierfür allerdings ausschließlich die Vakuumschalttechnik in Frage. Die Tauglichkeit von Vakuumschaltern wird im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Hierzu wird zunächst die Mechanik der Schaltröhren betrachtet. Materialuntersuchungen und Schaltexperimente bei Umgebungstemperatur und in flüssigem Stickstoff liefern Aufschluss über potentielle Problemstellen. Inder Folge wird der elektrische Widerstand der Schaltröhren betrachtet. Da das Kontaktsystem fast ausschließlich aus Kupfer besteht, sind ein verbleibender Restwiderstand und entsprechende thermische Verluste zu berücksichtigen. Da diese rückgekühlt werden müssen, erfolgt eine entsprechende Bewertung unter Berücksichtigung der Umgebungsparameter. Die dielektrische Festigkeit der Vakuumschaltröhren wird sowohl bei Umgebungstemperatur als auch direkt in flüssigem Stickstoff betrachtet. Hierfür werden an unterschiedlichen Schaltröhrentypen verschiedene Kontaktabstände eingestellt sowie zwischen innerer und äußerer dielektrischer Festigkeit unterschieden. Konditionierungs- und Dekonditionierungseffekte werden durch geeignete Wahl des Versuchskreises minimiert. Der Stromabriss und daraus entstehende Überspannungen gelten als einer der wenigen Nachteile der Vakuumschalttechnik. Mit Hilfe eines praxisnahen Versuchskreises wird die Höhe des Abreißstromes bestimmt und für unterschiedliche Temperaturen verglichen. Aufgrund der starken Streuung erfolgt die Auswertung mit Hilfe statistischer Methoden. Zum Abschluss wird das Kurzschlussstrom-Ausschaltvermögen in flüssigem Stickstoff untersucht. Die Prüflinge werden hierzu in einem synthetischen Prüfkreis mit steigenden Stromamplituden belastet, bis es zu dielektrischen Versagern kommt. Die Zusammenfassung der gewonnenen Ergebnisse zeigt, dass der Einsatz der Vakuumschalttechnik in supraleitenden Netzen möglich ist. Die Temperatur beeinflusst die Leistungsfähigkeit der Schaltröhre im Grunde nicht, weshalb ein Einsatz in flüssigem Stickstoff mit den gleichen Kennwerten erfolgen kann.
Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

By means of superconducting equipment it is possible to reduce the transmission losses in distribution networks while increasing the transmission capacity. As a result even saving a superimposed voltage level would be possible, which can put higher investment costs compared to conventional equipment into perspective. For operation of superconducting systems it is necessary to integrate all equipment in the cooling circuit. This also includes switchgears. Due to cooling with liquid nitrogen, however, only vacuum switching technology comes into question. Thus, the suitability of vacuum switches is investigated in this work. For this purpose the mechanics of the interrupters is considered first. Material investigations and switching experiments at ambient temperature and in liquid nitrogen supply information on potential issues. For this purpose, a special pneumatic construction is designed, which allows tens of thousands of switching cycles. Furthermore, the electrical resistance of the interrupters is considered. Since the contact system consists almost exclusively of copper, a remaining residual resistance and appropriate thermal losses must be considered. Since they have to be cooled back, an appropriate evaluation is given taking environmental parameters into account. The dielectric strength of vacuum interrupters is considered both at ambient temperature as well as directly in liquid nitrogen. For this purpose different contact distances are set at different interrupter types. A distinction is made between internal and external dielectric strength. Conditioning and deconditioning effects are minimized by an appropriate choice of the test circuit. The current chopping and resulting overvoltages are considered to be one of the few drawbacks of vacuum switching technology. Using a practical test circuit the height of chopping current is determined and compared for different temperatures. Due to strong scattering the evaluation is done using statistical methods. At the end the short-circuit current breaking capability is investigated in liquid nitrogen. The specimens are tested in a synthetic test circuit for this purpose, loaded with an increasing current amplitude until it comes to dielectric failures. The summary of the obtained results shows that the use of vacuum switchgears in superconducting networks is possible. The vacuum interrupter performance is basically unaffected by the low temperature, so it could be used for the same ratings under liquid nitrogen as at ambient temperature.

Englisch
Freie Schlagworte: Supraleitung, Supraleiter, supraleitende Netze, Verteilungsnetz, Mittelspannung, Hochspannung, erneuerbare Energien, Energiewende, Vakuum, Vakuumschalter, Vakuumschaltröhre, Vakuumschaltkammer, elektrischer Widerstand, dielektrische Festigkeit, Abreißstrom, Kurzschlussstrom
Schlagworte:
Einzelne SchlagworteSprache
superconductivity, superconductor, superconducting grid, distribution grid, medium voltage, high voltage, renewable energy, energy transition, vacuum, vacuum switch, vacuum interrupter, electrical resistance, dielectric strength, chopping current, short-circuit currentEnglisch
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-56435
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektrische Energiesysteme > Hochspannungstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektrische Energiesysteme
Hinterlegungsdatum: 04 Sep 2016 19:55
Letzte Änderung: 04 Sep 2016 19:55
PPN:
Referenten: Hinrichsen, Prof. Dr. Volker ; Kurrat, Prof. Dr. Michael
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 24 Juni 2016
Schlagworte:
Einzelne SchlagworteSprache
superconductivity, superconductor, superconducting grid, distribution grid, medium voltage, high voltage, renewable energy, energy transition, vacuum, vacuum switch, vacuum interrupter, electrical resistance, dielectric strength, chopping current, short-circuit currentEnglisch
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