DE1640750C - Supraleitendes Wechselstromkabel - Google Patents

Description

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

Eine Bauforrr« 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 Wechselstromverluste 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 W ärmeleistui.g, 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 Bauforrn 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 fetten hvlierstoffen 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 dcir niedrigen Temperatur entstehen. Da die sVärmeisolar.ior. wegen der /u übertragenden Kräfte stabiler als bei der erstgenannten Bauform ausgeführt werden muli, 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 übertragungscntfernungen erschwert.

Bei einer weiteren bekannten Bauform eines Drehstromkabels sind vier rohrförmigc Leiter aus je einem Trägerrohr mit einer Niobschicht auf einer Oberfläche koaxial ineinander angeordnet. Der innere und der äußere rohrformige Leiter dienen als Leiter für je eine Drehstromphase, die dritte Drehstromphase wird Über die beiden anderen rohrförmiijen Leiter geführt, die zwischen dem inneren und dein äußeren Leiter liegen und zur thermischen Isolation durch einen Vakuumraum voneinander getrennt sind. Um die einzelnen Drehstrcimpha»en 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 äwßeren Leiter in entgegengesetzter Richtung zuriickgeleitet wird (»Electrical Times«, 2, Februar 1967, S, 168 bis 170; »Elektric«, 19C7, Heft 6, S, U 108). Beim Betrieb dieser Kabelbauform maß jedoch streng darauf geachtet werden, daß bei der Wärmeabfuhr entweder im flüssigen Helium keine die Isolations

ίο wirkung 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 höht Drücke im Helium erforderl^:ch. 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 Dreh

»o stromkabel, bei dem mehrere an der Außenseite mit Niobschichten versehene Aluminium- oder Kupfer rohre in einem größeren an der Innenseite mit Niob beschichteten Aluminium- oder Kupferrohr angeord net sind und bei dem unter Druck stehendes flüssiges oder gasförmiges Helium gleichzeitig als Dielektrikum zwischen den Leitern und als Kühlmittel dient (»Electrical Review«, J. 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 Isolationsmittcl dienende Helium und das als Kühlmittel dienende Helium voneinander räumlich getrennt sind und unier verschiedenem Druck stehen.

Auf diese Weise werden einerseits gegenüber Bau formen mit festen Isolationsmitteln *\r 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 Isolations raum wird eine Verdiimpfung den als Isolationsmittel dienenden flüssigen Heliums und die Bildung von Gasblasen in diesem Helium verhindert. Die Isolation hat Häher 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 »tent als das als Kühlmittel dienende, strömende, flüssige und verdampfende

ie Helium. Durch den niedrigeren Druck im Isolations* raum wird eine Kondensation oder Tropfenbitdung des als Isolationsmittel dienenden gasförmigen Heliums verhindert. Da das als Isolationsmittd dienende gasförmige Helium nicht kälter sein kann als

«8 das als Kühlmittel dienende Helium, ist eine Kondensation des gasförmigen Heliums ausgeschlossen. Diese Isolationsart ist insbesondere bei supraleitenden Fermmetdeicabeln vorteilhaft, bei welchen Kon-

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ilensmion und I ropfenbildung unerwünschte Andeningen der Leitungskonsumten über die Kabellänge hervorrufen können.

Das Kabel kann vorteilhaft ein oder mehrere koaxiale Ueiterpanre enthalten, die aus einem Innenleiter und einem rohrförmigen, den Innenleiter umschließenden Außenleiter bestehen. Beim Betrieb des Kabels ist dann der Zwischenraum zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter mit als Isolationsmittel dienendem Helium gefüllt, während der rohrförmige Außenleiter an seiner Außenseite von als Kühlmittel dienendem flüssigem Helium umströmt wird. Der Innenleiter kann dabei beispielsweise drahtförmig sein, Bevorzugt wird der Innenleiter jedoch rohrförmig ausgebildet, so daß er von als Kühlmittel dienendem flüssigem Helium durchströmt werden kann.

Das Kabel kann aber auch mehrere Leiter enthalten, von welchen jeder konzentrisch in einer ihn in einem gewissen Abstand umschließenden rohr- ao förmigen Hülle aus schlechtleitendem Metall oder Kunststoff angeordnet ist. Beim Betrieb Jieses Kabels ist der Zwischenraum zwischen Leiter und Hülle mit als Isolationsmittel dienendem Helium gefüllt, während die Außenseite der Hülle von als Kühlmittel dienendem flüssigem Helium umströmt wird. Auch bei dieser Bauform können die Leiter vorteilhaft rohrförmig ausgebildet sein, so daß sie von als Kühlmittel dienendem flüssigem Helium durchströmt werden können. Drei solche Leiter können ein Drehstrom-System bilden.

Als Abstandhalter zwischen dem rohrförmigen Außenleiter bzw der rohrförmigen Hülle und dem dazu konzentrisch angeordneten inneren Leiter kann in dem als Isolationsmittel dienenden Helium ein Faden aus verluistarmem Kunststoff, z. B. Polytetrafluoräthykn, vorgesehen sein, der zu einer Schraubenfeder verformt und um den inneren Leiter in Form einer Schraubenlinie herumgewickelt ist. Die Steigung des Fadens in der Schraubenfeder kann vorteilhaft 4c etwa gleich dem Durchmesser der Schraubenfeder sein. Dieser Abstandhalter hat den Vorteil, daß man die Schraubenfeder nach dem Aufwickeln beim Aufbringen des äußeren Leiters oder der äußeren Hül?e so weit zusammendrücken kann, daß sie nach dem Abkühlen nicht locke·· wird und auch durch das Abkühlen keine übermäßigen Zugspannungen erleidet. Tr hat noch den wu'eren Vorteil, daß das als IsoIptionsmitlel dienende Helium an eintr Strömung in Richtung der Kabelachse kaum gehindert wird. Da die Kunststoffäden der Schraubenfeder zum großen Teil quer und nie ganz in Richtung der elektrischen Feldstärke liegen und ihre Dielektrizitäts-Ziffer größer ist als die des gasförmigen oder flüssigen Heliums, ist die elektrische Feldstärke im Kunststoff im Durchschnitt kleiner als im Isolierhelium. Das ermäßigt die dielektrischen Verluste. Etwa die gleichen Vorteile bieten Abstandhalter aus gescht.tzten und mit öffnungen versehenen, konisch geformten KunststoffhUlsen, die abwechselnd von mehreren Seiten auf den inneren Leiter aufgeschoben werden. Außer Polytetrafluoröthylen sind beispielsweise auch Polyäthylen oder Polystyrol geeignet.

Dei Supraleiter *.vird zweckmäßig nur als dünne Schicht auf einem Träger aus Metall oder Isolierstoff £5 vorgesehen. Bei 50 Hz haben weiche Supraleiter wie Niob oder Blei keitw Wechselstromverluste. Die Bin* drifiatiefe des Stromes ist aber bei der Temperatur des lliissigen Heliums von 4,2 K nur etwa K) »cm. Verwandet man hurte Supraleiter, so lassen sich die Wechselstromverluste im Suprulejiermnierial nur dadurch klein holten, daß man die magnetischu Feldstärke auf wenige kA/cm begrenzt. Das kommt ebenfalls darauf hinaus, daß man die harten Supraleiter nur in sehr dünnen Schichten anwendet oder weit unter ihrer kritischen Stromdichte belastet. Dünne Supraleiterschichten lassen sich durch Aufdampfen, durch galvanischen Niederschlag usw. erzeugen. Man kann sie auf einer Folie auftragen, die man dann um einen Leiterträger bzw. den Abstandhalter ohne Drall herumlegt. Bei Fernmeldekabeln mit Supraleitern aus Blei können die Supraleiter aus Bleidrähten oder -rohren bestehen. Ein eigener Träger ist nicht erforderlich.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand von sechs Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. I und 2 ein koaxiales Leiterpaar im Längsschnitt bzw. Querschnitt,

Fig. 3 und 4 ein koaxial·.'. Leiterpaar mit einer anderen Ausführungsform der Abstandhalter im Längsschnitt bzw. Querschnitt,

F i g. 5 den Querschnitt eines Kabe's mit sechs koaxialen Leiterpaaren,

Fig. 6 den Querschnitt eines Drehstrom-Systems mit drei parallelen, nicht koaxialen Leitern.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein koaxiales Leiterpuar. 1 ist der Innenleiter. Er best"ht aus einer dünnen supraleitenden Schicht 8 aus reinem Niob auf y.inet bandförmigen Folie 9 aus Aluminium einer Reinheit von 99,9«Ό. Diese bandförmige Folie ist mit der supraleitenden Schicht nach außen um das Träger rohr 2, das aus reinem Aluminium besteht, herumgelegt oder mit einem Drall sehr großer Steighöhe herumgewickelt. Auf den Innenleiter sind als Abstandhalter Wendeln aus einer Schraubenfeder 3 aufgewickelt. Die Schraubenfeder besteht «ius Po ytetrafluoräthylenfäden. Auf diesen Abstandhalter ist der Außenleiter 4 in Form eines Aluminiumbandes 10 mit supraleitender Schicht 11 so herumgelegt, daß die supraleitende Schicht innen liegt. Darüber ist als dichter Abschluß des mit dem als Isolationsmittel dienenden Helium erfüllten Isolationsraumes 5 ein vorzugsweise stanggepreßtes Aluminiumrohr 6 aufgebracht. Das als Kühlmittel dienende flüssige Helium durchströmt den Innenraum 7 des Trägerrohres 2 und umgibt die Außenseite des Rohres 6.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Variante des Abstandhalters. Hier sind geschlitzte, konisch geformte Hülsen 13 aus Kunststoff abwechselnd von verschiedenen Seiten auf den Innenleiter 1 aufgeschoben. Zur Verkleinerung des Kunststoff-Volumens und zur Verbesserung der axialen Durchlässigkeit für das sich im Zwischenraum 5 befindende Isolationshelium sind sie mit öffnungen 14 versehen. Der Schlitz, der zum Aufstecken der Abstandshalter auf den Innenleiter 1 dient, ist mit 15 bezeichnet. Diese Abstandhalter können »ich beim Abkühlen in tangentialer und axialer Richtung frei zusammenziehen und erleiden dadurch keine gefährlichen Spannungen. Sie können sehr leicht ausgeführt werden, da sie keine elektrischen Kräfte aufzunehmen haben, sondern nur das Gewicht des Innenleiters 1 mit dem Träger rohr 2 und dem Kühlhelium in diesem Rohr.

Fig. S zeigt den Querschnitt eines Kabels mit sechs koaxialen Lsiterpaaren 21, die jeweils wie die in den Fig. 1 und 2 bzw. 3 und 4 dargestellten

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Leiterpaafe aufgebaut sind, Die sechs Leiterpaafe befinden sich in einem Rohr 22 aus Aluminium. Um dieses Rohr ist eine eiste Wäfttieisolation Ii aus Kunststoffolien mit reflektierenden Metallschichten gelegt, darüber ein Zwisehenschild 24 aus Aluminium, S der wärmeleitend mit Aluminiumrohren IS verbunden ist, die flüssigen Stickstoff führen, Darüber liegt die Wärmeisolation 16, ebenfalls aus Kunststoffolien mit reflektierenden Metallsehiehten. 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 »o 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 Zwischenfiechten von Drähten 9$ oder Isolier st of fäden zwischen die Leiterpaare 21 wird dafür gesorgt, daß das Kühlhelium in alle Zwicket eindringen und sich bildende Oasblasen nach oben aufsteigen können. Das das Kühlhelium umschließende Rohr 22 kann stranggepreßt oder nahtlos ge- zogen oder auch als Blech um die Leiterpaare herumgelegt und nachher längsgesohweißt 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 par- 3s allelen. niclht 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 iäi, daß zwischen den drei Leitern Wechselkräite auftreten, die in den nicht idealelastischen Abstandshaltern 42, 46 und Kunststoffrohren 43 Verluste erzeugen. Diese Bauart ist daher vorwiegend für kleinere Stromstärken iin den Einzelleitern zweckmäßig.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Supraleitendes Wechselstromkabel mit Helium als Kühl- und Isolationsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß das als Isolations· mittel 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 al» Isolationsmittel dienende Helium gasförmig ist und unter einem niedrigeren Druck steht als das als Kühlmittel dienend« Helium.

4. Kahel nach einem der Ansprüche I 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 (S) zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter von als Isolationsmittel dienendem Helium erfüllt ist und der rohrförmigt Außenleiter an seiner Außenseite von als Kühlmittel dienendem flüssigem Helium umströmt ist.

5. Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dp? der Innenletter (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 Hütte 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 S oder 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Abstandhalter zwischen dem rohrförmigen Außenieiier (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 Offnungen 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 Isolicrstoffträger (9 bzw. 10) aufgebrachten Schichten (8 bzw. 11) aus Supraleitermatejial bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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