Schutz für das Stromnetz: Forscher entwickeln Technologie für supraleitende Strombegrenzer

Mit der Dezentralisierung der Stromerzeugung können bei Fehlern im Höchstspannungsnetz Kurzschlussströme entstehen, die konventionelle Sicherungsmaßnahmen zunehmend überfordern. Die Technische Hochschule Köln untersucht daher jetzt zusammen mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft im Forschungskonsortium „CURL380“, wie Strombegrenzer mit supraleitenden Materialien Fehlerströme sicher reduzieren können.

Das Herzstück der Technologie sind Hochtemperatur-Supraleiter (HTS), die in Spulen von mehreren Kilometern Länge in flüssigem Stickstoff betrieben werden. Überschreitet die Stromdichte im Fehlerfall einen kritischen Wert, verliert das Material schlagartig seine supraleitende Eigenschaft – ein physikalischer Vorgang, der als „Quench“ bezeichnet wird. Das Bauteil wird normalleitend, baut einen hohen Widerstand auf und reduziert den Kurzschlussstrom um einen gewünschten Betrag.

Die Sicherung basiert also nicht auf aufwändiger Elektronik, sondern auf den Eigenschaften des Materials. Das macht sie nach Einschätzung der Kölner Forscher sehr zuverlässig. Nach dem Fehler kühlt der Supraleiter ab, regeneriert sich und ist ohne Materialverschleiß wieder einsatzbereit.

Die Gesamtprojektleitung von CURL380 liegt beim Karlsruher Institut für Technologie. Neben der TH Köln sind auch die Unternehmen HSP Hochspannungsgeräte und Siemens Energy sowie die Übertragungsnetzbetreiber 50Hertz, Amprion, Tennet und TransnetBW beteiligt.

Durchführungen als Knackpunkt

Strombegrenzer, die auf dieser Methode basieren, könnten in große Schaltanlagen oder Umspannwerke integriert werden. Ein neuralgischer Punkt sind dabei die Durchführungen, durch die die unter Hochspannung stehenden Leitungen in den stark gekühlten Innenraum des Begrenzers gelangen.

Hier setzt ein Teilvorhaben der TH Köln an: Zunächst untersuchen die Forscher verschiedene Epoxidharz-Materialien mit Blick auf ihre Spannungsfestigkeit sowie die mechanischen Eigenschaften bei sehr geringen Temperaturen. Zudem bauen sie mehrere Hochspannungsdurchführungen mit unterschiedlich dimensionierten Isolierstrecken auf, um die Skalierbarkeit der Konstruktion mit steigender Spannungsbelastung zu analysieren.

„Die Herausforderung liegt darin, dass diese Bauteile trotz der extremen Temperaturunterschiede zwischen dem Außenraum und dem flüssigen Stickstoff dauerhaft die enormen Spannungen isolieren müssen“, erklärt Christof Humpert vom Institut für Elektrische Energietechnik der TH Köln.

Validierung der theoretischen Modelle im Labor

Im Rahmen des Projekts führt das Team außerdem umfangreiche Simulationen zur räumlichen Spannungsverteilung durch und untersucht, wie sich Überspannungsimpulse – etwa durch Blitzeinschläge oder Schaltvorgänge im Netz – innerhalb der supraleitenden Spulen ausbreiten. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Isolierung zwischen den aufgewickelten Hochtemperatursupraleitern.

Um die theoretischen Modelle zu validieren, baut das Team an der TH Köln einen Testkryostat auf, der bei vier Metern Höhe und einem Durchmesser von etwa zwei Metern rund 10.000 Liter Flüssigstickstoff enthalten wird. Darin führt das Konsortium die abschließende Prüfung der kryogenen 380-Kilovolt-Hochspannungsdurchführung durch. „Zudem untersuchen wir die Spannungsfestigkeit von Flüssigstickstoff bei großen Abständen bis circa 70 Zentimeter, um den sicheren Betrieb eines Strombegrenzers im Höchstspannungsnetz zu gewährleisten. Diese Experimente wurden bisher noch nie durchgeführt“, sagt Humpert.