Investigation of alternating current losses of various high-temperature superconducting multi-conductor concepts for three-phase high-current applications
Description
Given the energy transition in Germany and a general increase in electrical loads on the german grid, network operators face the significant challenge of providing reliable energy transmission. Conventional transmission technologies with VPE-insulated cables or overhead lines are often limited in their transmission capacity. Additionally it requires a substantial amount of space. The use of superconducting cables presents an alternative that has already been successfully implemented in projects worldwide. High-temperature superconductors enable a large transmission capacity with significantly reduced space requirements and lower cooling costs. As a result, power levels that were previously reserved for high and extra-high voltage levels can now be transmitted at the medium voltage level. Therefore, this work explores various high-temperature superconducting multi-conductor concepts for a three-phase medium-voltage cable, aiming to achieve a compact cable design with low electrical losses and reduced use of superconducting tapes. The multi-conductor concepts consist of parallel Stack, CroCo, or CorC arrangements. For this purpose, a method for determining critical currents and electrical losses is presented. In an iterative process, the number of parallel conductors as well as the geometric distances of the single and three-phase cables are calculated. A final comparison of the three multi-conductor concepts shows that the use of CorC arrangements drastically reduces the required number of tapes compared to Stack or CroCo arrangements. Ultimately, this also minimizes the cross-section of the three-phase cable. In the last section, the critical current and electrical losses of a CroCo and CorC arrangement are measured. The values align well with the mathematical methods presented earlier. Additionally, the CroCo arrangement exhibits losses greater than 1 once the effective current reaches 20 % of the critical current, while similar losses in a CorC arrangement occur at 55 % of the critical current.
Abstract (German)
Angesichts der Energiewende in Deutschland sowie eines generellen Anstiegs elektrischer Lasten im deutschen Netz, stehen Netzbetreiber vor der großen Herausforderung, eine zuverlässige Energieübertragung bereitzustellen. Konventionelle Übertragungstechnologien mit VPE isolierten Kabeln oder Freileitungen sind allerdings oftmals durch ihre Übertragungskapazitäten limitiert und benötigen einen hohen Platzbedarf. Der Einsatz supraleitender Kabel stellt hierbei eine Alternative dar, die in Projekten weltweit bereits erfolgreich umgesetzt wurde. Hochtemperatursupraleitern ermöglicht dabei eine hohe Übertragungsleistung bei deutlich reduziertem Platzbedarf sowie verringerten Kosten für die Kühlung. Somit können Leistungen, die vormals der Hoch- und Höchstspannungsebene vorbehalten waren, auch auf der Mittelspannungsebene übertragen werden. Daher werden in dieser Arbeit unterschiedliche hochtemperatursupraleitende Mehrleiterkonzepte für ein dreiphasiges Mittelspannungskabel untersucht. Ziel ist ein kompaktes Kabeldesign bei geringen elektrischen Verlusten sowie einem reduzierten Einsatz von Bandleitern. Die Mehrleiterkonzepte bestehen aus parallelen Stack-, CroCo- oder CorC-Anordnungen. Hierfür wird eine Methode zur Bestimmung der kritischen Ströme sowie der elektrischen Verluste vorgestellt. In einem iterativen Verfahren werden anschließend die Anzahl an parallelen Leitern sowie die geometrischen Abstände des ein- und dreiphasigen Kabels berechnet. In einem abschließenden Vergleich der drei Mehrleiterkonzepte zeigt sich, dass der Einsatz von CorC-Anordnungen die notwendige Anzahl an Bandleitern drastisch gegenüber den Stack- oder CroCo-Anordnungen reduziert. Letztendlich minimiert sich somit auch der Querschnitt des dreiphasigen Kabels. Im letzten Abschnitt werden durch einen praktischen Versuchsaufbau der kritische Strom sowie die elektrischen Verluste einer CroCo- und einer CorC-Anordnung ermittelt. Die so gemessenen Werte können mit den zuvor vorgestellten mathematischen Methoden gut abgebildet werden. Zudem zeigt die CroCo-Anordnung bereits Verluste größer 1 sobald der effektive Strom 20 % des kritischen Stroms erreicht, während ähnliche Verluste bei einer CorC-Anordnung erst ab 55 % des kritischen Stroms auftreten.Additional details
Additional titles
- Original title (German)
- Untersuchung von Wechselstromverlusten verschiedener hochtemperatursupraleitender Mehrleiterkonzepte für dreiphasige Hochstromanwendungen
Identifiers
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 244 p.
- University
- Karlsruhe Institute of Technology (KIT)
- Degree
- Dr.-Ing.
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 55078176
- Subject category
- S42: ENGINEERING; S24: POWER TRANSMISSION AND DISTRIBUTION;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- ALTERNATING CURRENT; CAPACITY; CRITICAL CURRENT; ELECTRICITY; ENERGY LOSSES; ENERGY POLICY; FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY; GRIDS; HIGH-TC SUPERCONDUCTORS; ITERATIVE METHODS; NUCLEAR POWER PHASEOUT; POWER TRANSMISSION; RELIABILITY; SUPERCONDUCTING CABLES
- Descriptors DEC
- CABLES; CALCULATION METHODS; CONDUCTOR DEVICES; CURRENTS; DEVELOPED COUNTRIES; ELECTRIC CABLES; ELECTRIC CURRENTS; ELECTRICAL EQUIPMENT; ELECTRODES; EQUIPMENT; EUROPE; GOVERNMENT POLICIES; LOSSES; SUPERCONDUCTORS; TYPE-II SUPERCONDUCTORS; WESTERN EUROPE