Three-dimensional modeling of tripping and quench propagation of high temperature superconductor current limiters
Final Report Abstract
Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Simulation der gekoppelten Vorgänge von Stromfluss und Erwärmung mit Übergang von der Supra- in die Normalleitung, wenn im Fehlerfall der kritische Supraleiterstrom überschritten wird. Der Abschlußbericht gibt anhand von Beispielen einen Überblick darüber: 1. In sorgfältigen Experimenten an Dünnschicht-Substrat-Kombinationen werden die Kennlinienfelder des spezifischen Supraleiter-Widerstandes im Übergang von der Supra- zur Normalleitung ermittelt und durch einfache analytische Funktionen nachgebildet. 2. Durch Eingriff in die interne Programmierung des FEM-Programms ANSYS werden dessen Elemente so modifiziert, dass damit die bisher noch nicht mögliche Nachbildung sowohl der Temperatur- als auch der Stromdichte- bzw. Feldstärkeabhängigkeit des spezifischen Supraleiterwiderstandes in 3D-Simulationen möglich ist. 3. Durch Simulation unter gleichen Bedingungen wie bei der Messung wird untersucht, ob sich der rasche Auslösevorgang beim Überschreiten einer bestimmten Stromgrenze rein thermisch erklären lässt, oder ob eine diskontinuierliche Änderung des Leitmechanismus zur Erklärung notwendig ist, wie teilweise in der Literatur behauptet. Es zeigt sich, dass ersteres der Fall ist. 4. Als Beispiel für die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der Simulation wird die Stromverteilung und Temperaturentwicklung beim Quench eines Dünnschicht-HTSL mit einer engen Kehre gezeigt, bei welchem im Inneren der Kehre die Gefahr der Zerstörung besteht. 5. Durch Simulationen wird am Beispiel Dünnschicht-Substrat-Kombination die von stets vorhandenen Schwachstellen ausgehende zeitliche Ausbreitung der Normalleitungszonen untersucht. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit liegt durch die starke Kopplung zwischen der Temperatur und der kritischen Stromdichte stets deutlich über der rein thermisch bedingten Geschwindigkeit. Im Endzustand ist wegen des stets vorhandenen Gradienten der kritischen Daten über die Länge immer nur ein Teil in die Normalleitung übergegangen. 6. Den Abschluss bilden, ausgehend von 5., erste Überlegungen zur Nachbildung des Klemmenverhaltens von HTSL-Strombegrenzern im Netz.
Publications
- H.-P. Krämer, R. Röckelein, W. Schmidt, B. Utz, U. Weinert, H.-W. Neumüller, J. Grundmann, M. Lindmayer: Herstellung von YBCO-Schichten auf polykristallinen Substraten für Hochstromanwendungen in der Energietechnik. 8. VDI-Statusseminar ,Supraleitung und Tieftemperaturtechnik", Garmisch- Partenkirchen, 13. - 14. Februar 2003.
- J. Grundmann, M. Lindmayer, R. Röckelein, W. Schmidt: Simulation of HTS Switching with the Finite Element Analysis Program ANSYS. Superconductor Science and Technology 16 No. 5 (May 2003) 562-565.
- J. Grundmann, M. Lindmayer: Measurement and 3D simulations of the thermal - electrical behaviour of YBCO thin films. 6th European Conference on Applied Superconductivity, Sorrento, Italy - 14.-18. September 2003.
- J. Grundmann: Kennlinienfeldmessung und Modellierung der Auslösung und Quenchausbreitung in HTSL Strombegrenzern. Jungingenieurforum anlässlich des Internationalen ETG-Kongresses 2005, Dresden. 14.-16.9.2005
- M. Lindmayer, J. Grundmann: Hochtemperatur-Supraleiter in Betriebsmitteln der elektrischen Energietechnik ¿ Stand der Forschung. ETG-Tagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen, Würzburg 01.-02.03.2005. VDE Verlag Offenbach 2005
- M. Lindmayer: Anwendungen von Hochtemperatur-Supraleitern in der elektrischen Energieversorgung. Jahrbuch 2005 der Braunschweigischen Wissenschaftlichen Gesellschaft, J. Cramer Verlag, Braunschweig 2006.
