Zusammenfassung
Die Stromzuführung stellt die Verbindung zwischen dem bei Tieftemperatur betriebenen Verbraucher und der bei Raumtemperatur befindlichen Stromversorgung dar. Mit der Stromübertragung ist zugleich die Wärmeeinleitung in den kalten Bereich verknüpft. Diese hängt von der Wärmeleitfähigkeit und der Geometrie sowie von den Jouleschen Verlusten ab, die innerhalb der Stromzuführung erzeugt werden. Der Einsatz der Hochtemperatursupraleiter (HTSL) im Bereich zwischen 70 K und 4 K erlaubt es, hohe elektrische Ströme mit im Vergleich zum Kupfer geringeren Wärmeleitfähigkeiten und Querschnittsflächen zu tragen (zweigeteilte oder binäre Stromzuführung). Damit ergibt sich eine Reduzierung der Kälteleistung und somit der elektrischen Anschlussleistung der Kälteanlage und der Betriebskosten.
Ziel dieser Arbeit ist es, Methoden und Simulationsmodelle zu entwickeln, anhand derer eine binäre 60 kA Stromzuführung für die ITER Toroidalfeldspulen unter Verwendung von Bi-2223-AgAu-Bandleitern ausgelegt wird.
Folgende Parameter einer HTSL-Stromzuführung werden dabei berücksichtigt: Der kritische Strom, die Kontaktwiderstände zwischen dem HTSL- und den Kupferbauteilen der Stromzuführung sowie die Induktivitätsmatrix der supraleitenden Bandstapel, die das HTSL-Modul bilden.
Die Methode der finiten Elemente bietet sich als geeignetes Werkzeug zur Untersuchung der Stromübergänge am 70 K- und 4 K-Niveau und zur Bestimmung der Kontaktwiderstände an. Letztere sind für die Optimierung der Betriebsparameter wie Massenstrom und Temperatur des He-Kühlmittels sowie für die Berechnung der thermischen Transienten erforderlich.
Die Bestimmung der Stromverteilung zwischen den Bandstapeln des HTSL-Moduls dient dazu, dessen elektrisches Verhalten sowohl im stationären Betrieb als auch während der elektrischen und thermischen Transienten zu verstehen. Deshalb wird mit Hilfe eines Finite Elemente Programms und der mit den Hall-Sensoren gemessenen Magnetfeldkomponenten ein Verfahren zur Bestimmung der Stromverteilung zwischen den Bandstapeln entwickelt. Durch Erstellung eines Ersatzschaltbildes mit stromabhängigen Widerständen und Eigen- bzw. Gegeninduktivitäten wird das elektromagnetische Verhalten des HTSL-Moduls simuliert.
Um die Gültigkeit der Modelle zu verifizieren, werden die Berechnungsergebnisse mit den Messdaten von zwei 10 kA- und einer 20 kA-HTSL-Stromzuführung verglichen.
Schließlich werden einige Auslegungsvarianten eines 60 kA HTSL-Moduls in Hinsicht auf die elektromagnetischen und thermischen Eigenschaften sowie der Fertigung untersucht und bewertet.
Damit stehen leistungsfähige Berechnungswerkzeuge zur Verfügung, die sich nicht nur zu einem detaillierten Design einer Stromzuführung unter Verwendung von Bi-2223-Bandleitern, sondern generell für die Optimierung von Stromzuführungen eignen.
Development
and verification of a modular current lead using high temperature superconductors
The
current lead is used to conduct the electrical current from the room temperature
side (RT), where the power supply is located, to the low temperature side
(4 K) where the superconducting coil is operating. Because it is a solid
connection between the RT and the 4 K temperature level, a heat load into
the cold region is associated, which depends on the thermal conductivity
and the geometry as well as on the Joule losses which are generated within
the current lead. The use of High Temperature Superconductors (HTS) in
the70¸4
K range of the current lead (so-called binary current lead) allows to carry
high currents with lower thermal conductivity and smaller cross sectional
areas in comparison to a conventional copper current lead. The result is
a reduction of the heat load and consequently of the electric power of
the cooling device and of the operational costs.
The
purpose of this work is to develop methods and simulation models appropriate
for designing a binary 60 kA current lead for the ITER Toroidal Field Coils
using AgAu stabilized Bi-2223 tapes.
The
following parameters of a HTS current lead are examined: the critical current,
the contact resistances between the HTS and the copper parts of the current
lead as well as the inductance matrix of the so-called HTS stacks that
form the HTS module.
The
Finite Element Method (FEM) is an appropriate tool for the evaluation of
the current transitions at the 70 K and 4 K levels and the determination
of the contact resistances. The latter ones are required for the optimisation
of the thermal parameters like mass flow and temperature of the He coolant
as well as for the calculation of the thermal transients.
The
knowledge of the current distribution among the HTS stacks within the module
is essential to understand the electrical behaviour of the module not only
in the steady state condition but also during the electrical and thermal
transients. Therefore, a procedure for determining the current distribution
among the stacks is developed by means of a FEM program and by measuring
the magnetic field components of each stack by using Hall probes. The electromagnetic
behaviour of the HTS module is simulated by an equivalent circuit
diagram with current-controlled resistances, self-inductances and mutual
inductances.
The
calculation results are compared to the measurement results of two 10 kA
and a20 kA HTS current lead in order
to validate the models.
Finally
three design versions of a 60 kA HTS module are discussed with respect
to the electromagnetic and the thermal properties as well as the manufacturing
and most suitable one is assigned.
It
is shown that efficient calculation tools are now available which are not
only suitable for an elaborate design of a current lead using Bi-2223 tapes
but also generally for the optimisation of current leads.