Schnelle Schalter sichern die Stromversorgung
Gesamtaufbau des resistiven supraleitenden Strombegrenzers: Im rechten Bildteil ragen die sechs Stromdurchführungen (für drei Phasen) oben aus dem Kryostaten (Kühlbehälter), der die supraleitenden Komponenten enthält. (Bild: ACCEL Instruments GmbH)
Das Herzstück des Strombegrenzers enthält die supraleitenden Komponenten (unterer Rand des Apparates). Im oberen Teil sind die Stromdurchführungen und die Kühlmittelanschlüsse zu erkennen. (Bild: ACCEL Instruments GmbH)
Bei einem Kurzschluss im Stromnetz treten so genannte Kurzschlussströme auf, die elektrische Komponenten, beispielsweise Generatoren, Leitungen und Transformatoren, mechanisch und thermisch stark belasten. Durch die immer häufigere Parallelschaltung von Stromnetzen und eine vermehrte dezentrale Einspeisung werden solche Kurzschlussströme künftig an Intensität noch zunehmen. Ein Strombegrenzer kann die hierbei auftretenden Probleme lösen: Er stabilisiert das Stromnetz, verringert Spannungsfälle und reduziert die mechanische und thermische Belastung der elektrischen Komponenten.
"Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass nur ein Strombegrenzer auf der Basis von Hochtemperatur-Supraleitern alle Eigenschaften besitzt, die für einen technisch und wirtschaftlich sinnvollen Betrieb notwendig sind", erläutert Dr. Mathias Noe, der für das Projekt im Institut für Technische Physik des Forschungszentrums Karlsruhe verantwortlich ist. "Dazu sind neben einer schnellen und wirksamen Strombegrenzung im Störfall und einer mehrfachen Verwendbarkeit auch geringe Verluste im Normalbetrieb erforderlich."
Ein Strombegrenzer muss im Kurzschlussfall einen hohen elektrischen Widerstand besitzen. Im Normalbetrieb dagegen soll der elektrische Widerstand des Strombegrenzers möglichst gering sein, um Energieverluste zu vermeiden. Diese Eigenschaften kann ein Supraleiter in idealer Weise erfüllen: Bei tiefen Temperaturen besitzt er bis zu einer bestimmten, von Material und Konstruktion abhängigen Stromstärke keinen elektrischen Widerstand. Erst wenn dieser kritische Maximalstrom überschritten wird, verliert er innerhalb weniger tausendstel Sekunden seine supraleitenden Eigenschaften und wird zu einem elektrischen Widerstand. Sobald der Strom unter den kritischen Wert zurücksinkt und der Supraleiter abgekühlt ist, verschwindet der elektrische Widerstand wieder. Diese Übergänge vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand (und zurück) erfolgen ohne Eingriff von außen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für das sichere und schnelle Funktionieren des Strombegrenzers.
Um die Verluste durch die notwendige Kühlung zu begrenzen, können nur so genannte Hochtemperatur-Supraleiter zum Einsatz kommen, die mit flüssigem Stickstoff (-196° C) gekühlt werden können. Eine Kühlung mit flüssigem Helium (-269° C) würde die Betriebskosten stark erhöhen. Hochtemperatur-Supraleiter bestehen allerdings aus keramischen Materialien und sind entsprechend schwer zu bearbeiten. Nexans SuperConductors ist es im Verlauf des Projektes gelungen, Supraleiterkomponenten herzustellen, die alle Anforderungen für einen Einsatz erfüllen. ACCEL als Systemhersteller hat das Systemengineering durchgeführt und den Aufbau des Strombegrenzers ausgeführt, der bereits vor dem ersten Zuschalten ans Netz im Hochleistungsprüffeld der FGH Engineering und Test GmbH aus Mannheim zahlreiche Tests erfolgreich absolviert hat.
Das Forschungszentrum Karlsruhe ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, die mit ihren 15 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 2,1 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands ist. Die insgesamt 24 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Helmholtz-Gemeinschaft forschen in den Bereichen Struktur der Materie, Erde und Umwelt, Verkehr und Weltraum, Gesundheit, Energie sowie Schlüsseltechnologien.
Joachim Hoffmann 1. April 2004
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