DE1640750B1

DE1640750B1 - Supraleitendes wechselstromkabel

Info

Publication number: DE1640750B1
Application number: DE19671640750
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl-Ing Kafka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-12-20
Filing date: 1967-12-20
Publication date: 1971-04-22
Also published as: FR1600958A; GB1245655A; SE342343B; US3595982A

Description

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Wechselstromkabel mit Helium als Kühl- und Isolationsmittel. Supraleitende Wechselstromkabel sind bisher in verschiedenen Ausführungsformen bekanntgeworden.

Eine Bauform verwendet Supraleiter mit einer elektrischen Isolation aus festem dielektrischem Material zwischen den Leitern verschiedener Spannung (»Power Engineering«, Oktober 1961, S. 80 bis 82). Außerhalb dieser Isolation ist die Wärmeisolation angeordnet. Eine Kühlung durch flüssiges Helium führt die Wärme ab, die durch Wechsel-Stromverluste im Leiter, durch Wirbelstromverluste in normalleitenden Metallen, soweit diese innerhalb der Wärmeisolation liegen, durch Verluste durch mechanische Wechselkräfte und durch dielektrische Verluste in der elektrischen Isolation entsteht, und ferner die Wärmemenge, die von außen durch die Wärmeisolation eindringt. Bei dem heutigen Stand der Kühltechnik muß man damit rechnen, daß für 1 Watt Wärmeleistung, das bei der Temperatur des flüssigen Heliums von 4,2° K anfällt, eine Kühlleistung von etwa 500 Watt auf Raumtemperatur aufgewendet werden muß. Die Stromkosten für die Kühlleistung und der große Aufwand an Kühleinrichtungen machen diese Bauart heute noch unwirtschaftlich.

Eine andere Bauform benutzt für jeden Stromleiter einen rohrförmigen Träger mit einer dünnen Außenschicht aus Niob, der im Inneren durch flüssiges Helium gekühlt wird. Der Stromleiter ist zunächst von einer Wärmeisolation und darüber von einer elektrischen Isolation aus festen Isolierstoffen auf Raumtemperatur umgeben (»Electrical Times«, 2. Februar 1967, S. 168 bis 170). Diese Anordnung hat den Zweck, die dielektrischen Verluste direkt an die Umgebung ableiten zu können. Die Wärmeisolation muß hier die magnetischen Kräfte zwischen den Leitern übertragen. Diese Wechselkräfte erzeugen wegen der nicht idealen Elastizität der Wärmeisolation gewisse Verluste, die zum großen Teil auf der niedrigen Temperatur entstehen. Da die Wärmeisolation wegen der zu übertragenden Kräfte stabiler als bei der erstgenannten Bauform ausgeführt werden muß, hat sie eine relativ große Wärmeleitfähigkeit. Die Bauart hat aber auch noch andere Nachteile, die bisher eine praktische Ausnutzung dieses Vorschlages verhindert haben. Die Wärmeisolation verbraucht z. B. viel Platz, wodurch die elektrische Isolation kostspielig wird. Ferner ist die Kapazität solcher Kabel sehr groß und die Wellenausbreitungs-Geschwindigkeit klein, was die Verwendung für größere Übertragungsentfernungen erschwert.

Bei einer weiteren bekannten Bauform eines Drehstromkabels sind vier rohrförmige Leiter aus je einem Trägerrohr mit einer Niobschicht auf einer Oberfläche koaxial ineinander angeordnet. Der innere und der äußere rohrförmige Leiter dienen als Leiter für je eine Drehstromphase, die dritte Drehstromphase wird über die beiden anderen rohrförmigen Leiter geführt, die zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter liegen und zur thermischen Isolation durch einen Vakuumraum voneinander getrennt sind. Um die einzelnen Drehstromphasen voneinander elektrisch zu isolieren, wird das gleichzeitig zur Kühlung der rohrförmigen Leiter dienende flüssige Helium verwendet, welches in dem Zwischenraum zwischen dem inneren Leiter und dem diesem Leiter benachbarten ersten Leiter für die dritte Phase in einer Richtung entlang der Kabelachse geleitet und in dem Zwischenraum zwischen dem zweiten Leiter für die dritte Phase und dem diesen Leiter umgebenden äußeren Leiter in entgegengesetzter Richtung zurückgeleitet wird (»Electrical Times«, 2. Februar 1967, S. 168 bis 170; »Elektrie«, 1967, Heft 6, S. U 108). Beim Betrieb dieser Kabelbauform muß jedoch streng darauf geachtet werden, daß bei der Wärmeabfuhr entweder im flüssigen Helium keine die Isolationswirkung beeinträchtigenden Gasblasen entstehen oder daß das Helium trotz entstehender Gasblasen die volle Spitzenspannung zwischen den rohrförmigen Leitern aushält. Dazu sind ein sehr großer Heliumdurchsatz bzw. sehr hohe Drücke im Helium erforderlich. Dies bringt einmal den Nachteil eines großen Kühlaufwandes und einer kostspieligen Kabelbauart mit sich. Außerdem kann die bei Helium vorteilhafte Verdampfungskühlung nicht angewendet werden. Das gleiche gilt für ein weiteres bekanntes Drehstromkabel, bei dem mehrere an der Außenseite mit Niobschichten versehene Aluminium- oder Kupferrohre in einem größeren an der Innenseite mit Niob beschichteten Aluminium- oder Kupferrohr angeordnet sind und bei dem unter Druck stehendes flüssiges oder gasförmiges Helium gleichzeitig als Dielektrikum zwischen den Leitern und als Kühlmittel dient (»Electrical Review«, 3. Februar 1967, S. 155).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem supraleitenden Wechselstromkabel mit Helium als Kühl- und Isolationsmittel den Kühlaufwand herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das als Isolationsmittel dienende Helium und das als Kühlmittel dienende Helium voneinander räumlich getrennt sind und unter verschiedenem Druck stehen.

Auf diese Weise werden einerseits gegenüber Bauformen mit festen Isolationsmitteln die dielektrischen Verluste in der Isolation verkleinert und es wird andererseits die Ausnutzung der Verdampfungskühlung ermöglicht, ohne daß die Wirksamkeit der elektrischen Isolation gefährdet wird.

Als Isolationsmittel kann insbesondere flüssiges Helium verwendet werden, welches unter höherem Druck gehalten wird als das als Kühlmittel dienende Helium. Durch den höheren Druck im Isolationsraum wird eine Verdampfung des als Isolationsmittel dienenden flüssigen Heliums und die Bildung von Gasblasen in diesem Helium verhindert. Die Isolation hat daher eine hohe Durchschlagfestigkeit. Wegen der etwas höheren Temperatur in dem mit flüssigem Helium gefüllten Isolationsraum sollte der Druckunterschied entsprechend groß gewählt werden. Er kann beispielsweise 0,5 bis 5 Atmosphären betragen.

In Fällen, wo eine kleinere Durchschlagsfestigkeit der Isolation ausreicht, kann als Isolationsmittel auch gasförmiges Helium verwendet werden, welches unter einem niedrigeren Druck steht als das als Kühlmittel dienende, strömende, flüssige und verdampfende Helium. Durch den niedrigeren Druck im Isolationsraum wird eine Kondensation oder Tropfenbildung des als Isolationsmittel dienenden gasförmigen Heliums verhindert. Da das als Isolationsmittel dienende gasförmige Helium nicht kälter sein kann als das als Kühlmittel dienende Helium, ist eine Kondensation des gasförmigen Heliums ausgeschlossen. Diese Isolationsart ist insbesondere bei supraleitenden Fernmeldekabeln vorteilhaft, bei welchen Kon-

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densation und Tropfenbildung unerwünschte Ände- des flüssigen Heliums von 4,2^C K nur etwa 10~⁴ cm.

rungen der Leitungskonstanten über die Kabellänge Verwendet man harte Supraleiter, so lassen sich die

hervorrufen können. Wechselstromverluste im Supraleitermaterial nur da-

Das Kabel kann vorteilhaft ein oder mehrere ko- durch klein halten, daß man die magnetische Feldaxiale Leiterpaare enthalten, die aus einem Innen- 5 stärke auf wenige kA/cm begrenzt. Das kommt eben-

leiter und einem rohrförmigen, den Innenleiter um- falls darauf hinaus, daß man die harten Supraleiter

schließenden Außenleiter bestehen. Beim Betrieb des nur in sehr dünnen Schichten anwendet oder weit

Kabels ist dann der Zwischenraum zwischen dem unter ihrer kritischen Stromdichte belastet. Dünne

Innenleiter und dem Außenleiter mit als Isolations- Supraleiterschichten lassen sich durch Aufdampfen,

mittel dienendem Helium gefüllt, während der rohr- io durch galvanischen Niederschlag usw. erzeugen. Man

förmige Außenleiter an seiner Außenseite von als kann sie auf einer Folie auftragen, die man dann um

Kühlmittel dienendem flüssigem Helium umströmt einen Leiterträger bzw. den Abstandhalter ohne Drall

wird. Der Innenleiter kann dabei beispielsweise herumlegt. Bei Fernmeldekabeln mit Supraleitern aus

drahtförmig sein. Bevorzugt wird der Innenleiter Blei können die Supraleiter aus Bleidrähten oder

jedoch rohrförmig ausgebildet, so daß er von als 15 -rohren bestehen. Ein eigener Träger ist nicht erfor-

Kühlmittel dienendem flüssigem Helium durchströmt derlich.

werden kann. Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an

Das Kabel kann aber auch mehrere Leiter ent- Hand von sechs Figuren näher erläutert. Es zeigen

halten, von welchen jeder konzentrisch in einer ihn Fig. 1 und 2 ein koaxiales LeiterpaarJm Längs-

in einem gewissen Abstand umschließenden rohr- 20 schnitt bzw. Querschnitt,

förmigen Hülle aus schlechtleitendem Metall oder F i g. 3 und 4 ein koaxiales Leiterpaar mit einer

Kunststoff angeordnet ist. Beim Betrieb dieses Kabels anderen Ausführungsform der Abstandhalter im

ist der Zwischenraum zwischen Leiter und Hülle mit Längsschnitt bzw. Querschnitt,

als Isolationsmittel dienendem Helium gefüllt, wäh- Fig. 5 den Querschnitt eines Kabels mit sechs

rend die Außenseite der Hülle von als Kühlmittel die- 25 koaxialen Leiterpaaren,

nendem flüssigem Helium umströmt wird. Auch bei F i g. 6 den Querschnitt eines Drehstrom-Systems

dieser Bauform können die Leiter vorteilhaft rohr- mit drei parallelen, nicht koaxialen Leitern,

förmig ausgebildet sein, so daß sie von als Kühl- Die Fig. 1 und 2 zeigen ein koaxiales Leiterpaar,

mittel dienendem flüssigem Helium durchströmt wer- 1 ist der Innenleiter. Er besteht aus einer dünnen

den können. Drei solche Leiter können ein Dreh- 30 supraleitenden Schicht 8 aus reinem Niob auf einer

strom-System bilden. bandförmigen Folie 9 aus Aluminium einer Reinheit

Als Abstandhalter zwischen dem rohrförmigen von 99,9%. Diese bandförmige Folie ist mit der Außenleiter bzw. der rohrförmigen Hülle und dem supraleitenden Schicht nach außen um das Trägerdazu konzentrisch angeordneten inneren Leiter kann rohr 2, das aus reinem Aluminium besteht, herumin dem als Isolationsmittel dienenden Helium ein 35 gelegt oder mit einem Drall sehr großer Steighöhe Faden aus verlustarmem Kunststoff, z. B. Polytetra- herumgewickelt. Auf den Innenleiter sind als Abfluoräthylen, vorgesehen sein, der zu einer Schrauben- standhalter Wendeln aus einer Schraubenfeder 3 auffeder verformt und um den inneren Leiter in Form gewickelt. Die Schraubenfeder besteht aus Polytetraeiner Schraubenlinie herumgewickelt ist. Die Steigung fluoräthylenfäden. Auf diesen Abstandhalter ist der des Fadens in der Schraubenfeder kann vorteilhaft 40 Außenleiter 4 in Form eines Aluminiumbandes 10 etwa gleich dem Durchmesser der Schraubenfeder mit supraleitender Schicht 11 so herumgelegt, daß sein. Dieser Abstandhalter hat den Vorteil, daß man die supraleitende Schicht innen liegt. Darüber ist als die Schraubenfeder nach dem Aufwickeln beim Auf- dichter Abschluß des mit dem als Isolationsmittel bringen des äußeren Leiters oder der äußeren Hülle dienenden Helium erfüllten Isolationsraumes 5 ein so weit zusammendrücken kann, daß sie nach dem 45 vorzugsweise stanggepreßtes Aluminiumrohr 6 auf-Abkühlen nicht locker wird und auch durch das Ab- gebracht. Das als Kühlmittel dienende flüssige Helium kühlen keine übermäßigen Zugspannungen erleidet. durchströmt den Innenraum 7 des Trägerrohres 2 und Er hat noch den weiteren Vorteil, daß das als Isola- umgibt die Außenseite des Rohres 6.
tionsmittel dienende Helium an einer Strömung in Die F i g. 3 und 4 zeigen eine Variante des AbRichtung der Kabelachse kaum gehindert wird. Da 5° standhalters. Hier sind geschlitzte, konisch geformte die Kunststoffäden der Schraubenfeder zum großen Hülsen 13 aus Kunststoff abwechselnd von verschie-Teil quer und nie ganz in Richtung der elektrischen denen Seiten auf den Innenleiter 1 aufgeschoben. Feldstärke liegen und ihre Dielektrizitäts-Ziffer Zur Verkleinerung des Kunststoff-Volumens und zur größer ist als die des gasförmigen oder flüssigen Verbesserung der axialen Durchlässigkeit für das sich Heliums, ist die elektrische Feldstärke im Kunststoff 55 im Zwischenraum 5 befindende Isolationshelium sind im Durchschnitt kleiner als im Isolierhelium. Das sie mit Öffnungen 14 versehen. Der Schlitz, der zum ermäßigt die dielektrischen Verluste. Etwa die Aufstecken der Abstandshalter auf den Innenleiter 1 gleichen Vorteile bieten Abstandhalter aus ge- dient, ist mit 15 bezeichnet. Diese Abstandhalter schlitzten und mit Öffnungen versehenen, konisch können sich beim Abkühlen in tangentialer und geformten Kunststoffhülsen, die abwechselnd von 60 axialer Richtung frei zusammenziehen und erleiden mehreren Seiten auf den inneren Leiter aufgeschoben dadurch keine gefährlichen Spannungen. Sie können werden. Außer Polytetrafluoräthylen sind beispiels- sehr leicht ausgeführt werden, da sie keine elekweise auch Polyäthylen oder Polystyrol geeignet. irischen Kräfte aufzunehmen haben, sondern nur das Der Supraleiter wird zweckmäßig nur als dünne Gewicht des Innenleiters 1 mit dem Trägerrohr 2 und Schicht auf einem Träger aus Metall oder Isolierstoff 65 dem Kühlhelium in diesem Rohr,
vorgesehen. Bei 50 Hz haben weiche Supraleiter wie F i g. 5 zeigt den Querschnitt eines Kabels mit Niob oder Blei keine Wechselstromverluste. Die Ein- sechs koaxialen Leiterpaaren 21, die jeweils wie die dringtiefe des Stromes ist aber bei der Temperatur in den Fig. 1 und 2 bzw. 3 und 4 dargestellten

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Leiterpaare aufgebaut sind. Die sechs Leiterpaare befinden sich in einem Rohr 22 aus Aluminium. Um dieses Rohr ist eine erste Wärmeisolation 23 aus Kunststoffolien mit reflektierenden Metallschichten gelegt, darüber ein Zwischenschild 24 aus Aluminium, der wärmeleitend mit Aluminiumrohren 25 verbunden ist, die flüssigen Stickstoff führen. Darüber liegt die Wärmeisolation 26, ebenfalls aus Kunststoffolien mit reflektierenden Metallschichten. Alles befindet sich in einem längsgeteilten Eisenbetonrohr 27, das den äußeren Luftdruck aufnimmt. Nach Einlegen des Rohres 22 und der Wärmeisolation sowie des Zwischenschildes wird das Rohr 22 mit Hilfe von dünnen Fäden 30 gegenüber dem Druckrohr 27 verspannt und dann der Deckel 28 aufgelegt. Zum vakuumdichten Abschluß erhält das Druckrohr außen eine Haut 29 aus Kunststoff oder Metall, die längsgeschweißt, gelötet oder geklebt ist. Der Raum zwischen den Rohren 22 und 27 wird evakuiert. Die koaxialen Leiterpaare 21 können vor oder nach dem Befestigen des Rohres 22 im Rohr 27 in das Rohr 22 eingezogen werden. Der freie Innenraum 31 des Rohres 22 und die Innenräume 7 der Innenleiter der Leiterpaare 21 dienen zur Aufnahme des flüssigen Kühlheliums. Durch Zwischenflechten von Drähten oder Isolierstoffäden zwischen die Leiterpaare 21 wird dafür gesorgt, daß das Kühlhelium in alle Zwickel eindringen und sich bildende Gasblasen nach oben aufsteigen können. Das das Kühlhelium umschließende Rohr 22 kann stranggepreßt oder nahtlos gezogen oder auch als Blech um die Leiterpaare herumgelegt und nachher längsgeschweißt sein. Das Isolationshelium befindet sich in den Zwischenräumen 5 zwischen den Leitern der koaxialen Leiterpaare 21.

F i g. 6 zeigt ein Drehstrom-System aus drei parallelen, nicht koaxialen Leitern 41. Jeder Leiter besteht hier aus einem Rohr aus hochreinem Blei. Als Abstandshalter 42 dienen die in F i g. 3 und 4 dargestellten Kunststoff-Hülsen. Sie tragen stranggepreßte Rohre 43 aus einem Kunststoff, z. B. aus einer bei der niedrigen Temperatur noch elastischen Polyäthylen-Mischung. Diese Rohre können außen mit einem schwachleitenden Überzug versehen sein. Im Zwischenraum 44 zwischen den Rohren 43 und den Leitern 41 befindet sich das Isolations-Helium. Außerhalb der Rohre 43 und im Inneren der Leiter 41 ist Kühlhelium. Die drei Leiter sind durch Bänder 45 zusammengehalten, damit sie durch die Stromkräfte nicht auseinandergetrieben Werden. Der Abstandshalter 42 muß wegen der Stromkräfte stärker ausgeführt sein als bei koaxialen Leiterpaaren. Damit auch der Zwickel zwischen den drei Rohren 43 von Kühlhelium durchstömt werden kann, ist ein sternförmiges Abstandsstück 46 eingelegt. Eine Mehrzahl solcher Drehstrom-Systeme kann zu einem Starkstromkabel vereinigt und in einem gemeinsamen Heliumrohr, beispielsweise im Rohr 22 des in F i g. 5 dargestellten Kabels, untergebracht werden. Ein gewisser Nachteil dieser nicht koaxialen Ausführung ist, daß zwischen den drei Leitern Wechselkräfte auftreten, die in den nicht idealelastischen Abstandshaltern 42, 46 und Kunststoffrohren 43 Verluste erzeugen. Diese Bauart ist daher vorwiegend für kleinere Stromstärken in den Einzelleitern zweckmäßig.

Claims

Patentansprüche:

1. Supraleitendes Wechselstromkabel mit Helium als Kühl- und Isolationsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß das als Isolationsmittel dienende Helium und das als Kühlmittel dienende Helium voneinander räumlich getrennt sind und unter verschiedenem Druck stehen.

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Isolationsmittel dienende Helium flüssig ist und unter einem höheren Druck steht als das als Kühlmittel dienende Helium.

3. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Isolationsmittel dienende Helium gasförmig ist und unter einem niedrigeren Druck steht als das als Kühlmittel dienende Helium.

4. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es ein oder mehrere koaxiale Leiterpaare enthält, die aus einem Innenleiter (1) und einem rohrförmigen, den Innenleiter umschließenden Außenleiter (4) bestehen, daß der Zwischenraum (5) zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter von als Isolationsmittel dienendem Helium erfüllt ist und der rohrförmige Außenleiter an seiner Außenseite von als Kühlmittel dienendem flüssigem Helium umströmt ist.

5. Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (1) rohrförmig ausgebildet ist und von als Kühlmittel dienendem flüssigem Helium durchströmt ist.

6. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrere Leiter (41) enthält, von welchen jeder innerhalb einer rohrförmigen Hülle (43) aus schlechtleitendem Metall oder Kunststoff konzentrisch angeordnet ist, daß sich in dem Zwischenraum (44) zwischen Leiter und Hülle als Isolationsmittel dienendes Helium befindet und die Außenseite der Hülle von als Kühlmittel dienendem flüssigem Helium umströmt ist.

7. Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (41) rohrförmig ausgebildet ist und von als Kühlmittel dienendem flüssigem Helium durchströmt ist.

8. Kabel nach einem der Ansprüche 4 und 5 oder 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Abstandhalter zwischen dem rohrförmigen Außenleiter (4) bzw. der rohrförmigen Hülle (43) und dem dazu konzentrisch angeordneten inneren Leiter (1 bzw. 41) in dem als Isolationsmittel dienendem Helium eine Schraubenfeder (3) aus einem Faden aus verlustarmem Kunststoff vorgesehen ist, die in Form einer Schraubenlinie um den inneren Leiter herumgewickelt ist.

9. Kabel nach einem der Ansprüche 4 und 5 oder 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Abstandhalter zwischen dem rohrförmigen Außenleiter (4) bzw. der rohrförmigen Hülle (43) und dem dazu konzentrisch angeordneten inneren Leiter (1 bzw. 41) in dem als Isolationsmittel dienendem Helium konisch geformte, geschlitzte, mit Öffnungen versehene Kunststoffhülsen (13) vorgesehen sind, die auf den inneren Leiter aufgeschoben sind.

10. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Leiter (1 bzw. 4) aus dünnen, auf einen Metalloder Isolierstoffträger (9 bzw. 10) aufgebrachten Schichten (8 bzw. 11) aus Supraleitermaterial bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen