Research and Technology Development on Superconducting Current Limiting Transformers

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. ... mehr
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.

Modern power grids undergo continuous changes towards higher efficiency in power transmission, increased available power density in urban centers and highly populated areas and towards higher decentralization of the energy production on the low-voltage levels. The necessary adjustment of the grid topology often results in a reduction of the grid impedance and further in an increasing number of grid interconnections.
Disregarding the desired positive effect of this change, a lower grid impedance also leads to an increase of the short-circuit power in case of a fault in the power grid. ... mehrAppearing faults can have more severe and extensive consequences, enabled by the increased number of interconnections in the grid. This can pose a threat to a reliable and uninterrupted grid operation. Novel grid appliances, based on superconducting materials, can help to reduce these threats and offer significant advantages in comparison with conventional grid components. With this, they can contribute to a reliable and fail-safe grid operation even with a reduced grid impedance. This thesis introduces a hybrid transformer design with a normalconducting primary and a superconducting secondary winding. In this design, the intrinsic properties of the superconducting material extend the conventional transformer by the ability to actively and efficiently limit short-circuit currents in a power grid. In comparison with conventional grid protection methods, the superconducting current limiting transformer limits fault currents instantaneously. This thesis gives an introduction to modern superconductor materials, to the functionality of a superconducting current limiting transformer and to the design process of such a device. The acquired knowledge is then applied to manufacture and test a superconducting transformer demonstrator of the 1 MVA-power-class. The different sections of this work are briefly described in the following:
Chapter 1 introduces the basics of superconductivity and the limiting factors for the utilization of high-temperature superconductors in power devices. The focus lies on the application in a superconducting current limiting transformer. The chapter concludes with a state-of-the-art overview of superconducting transformers and other superconducting power applications.
The second chapter introduces the design process behind a superconducting current limiting transformer as well as a method for the prediction of the transient operational characteristics of a superconducting transformer design. This chapter ends with the generation of a design for a transformer of the 1 MVA-class, which is manufactured and tested during the further course of this thesis.
Chapter 3 describes preliminary experiments on superconducting tapes, carried out to determine their suitability for the application in a current limiting transformer design. The experimentally acquired results are used to optimize the transformer design process and to determine a commercially available superconducting tape for the utilization in the test setup of the developed superconducting transformer demonstrator.
In chapter 4, the manufacturing of the designed superconducting transformer demonstrator is described in detail and constructional feature of the different transformer components are explained.
Chapter 5 presents the experiments conducted on the manufactured superconducting transformer demonstrator. This includes the description of the experimental setups in the laboratory, the applied measurement methods as well as a listing of the utilized experimental equipment. The measurements focus on the performance of the transformer demonstrator during a current limitation, the efficiency of the full transformer assembly, a loss analysis on the different transformer components as well as on the AC-loss contributions of the superconducting material.
The results of the experiments are presented and discussed in detail in chapter 6. It is shown that the superconducting transformer reduces a fault current in the peak of the first half wave to 68 % of the prospective current. The current further decreases to less than 30 % in the peak of the sixth half-wave. The measurements of the transformer losses show an efficiency of 99.08 % for a three-phase transformer model. In this value, the AC-losses in the superconductors are considered with 633 W under nominal load. For the short-circuit impedance a value of 2.98 % is determined. This chapter also presents a comparison between the measurement results and the results of the transient simulations acquired during the transformer design process. It is shown that the simulated values agree well with the measurement values. This verifies the applied simulation models, used during the transformer design process. The thesis concludes with a summary of the acquired results and gives an outlook on possible follow-up research projects, necessary to further investigate on the significant potential of superconducting current limiting transformers in future power grids.