DE1765247C3 - Power supply to superconducting devices for alternating or three-phase current - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Stromzuführung zu supraleitenden Einrichtungen für Wechsel- oder Drehstrom.The invention relates to a power supply to superconducting devices for alternating or three-phase current.

Stromzuführungen zu supraleitenden Einrichtungen kringen bei größeren Stromstärken eine beträchtliche Wärmemenge zum Supraleiter, die einen erheblichen Aufwand an Kühlleistung erfordert. Um I W von 4,2 K •vegzukühlen, rechnet man mit etwa 500 W Kompresiorleistung. Der Kühlaufwand je Ampere für die Stromzuführung kann durch Zwischenkühlung z. B. mit flüssigem Stickstoff, durch Optimierung des Verhältnisies von Länge der Stromzuführung zum Querschnitt des Zuführungsleiters und durch die Wahl des Leitermaterials verkleinert werden. Bei Gleichstromzuführungen wurden die Verhältnisse von S. D e i η e s s untersucht (»Cryogenics«, Oktober 1965, S. 269 bis 271). Bei Wechselstrom treten in den Zuführungsleitern über den Querschnitt ungleiche Stromdichten durch Stromverdrängung und Wirbelströme auf, die die Optimierungsbedingungen verändern und die Verluste wesentlich erhöhen.Power supply lines to superconducting devices produce a considerable amount of current at higher currents Amount of heat to the superconductor, which requires a considerable amount of cooling power. To I W of 4.2 K • To cool down, one reckons with about 500 W compressor power. The cooling effort per ampere for the power supply can be achieved by intercooling z. B. with liquid nitrogen, by optimizing the relationship between the length of the power supply and the cross-section of the supply conductor and the choice of conductor material. With direct current feeds the relationships were investigated by S. Dei η e s s ("Cryogenics", October 1965, pp. 269 to 271). With alternating current, unequal current densities occur in the supply conductors across the cross-section due to current displacement and eddy currents, which change the optimization conditions and significantly reduce the losses raise.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stromzuführung zu supraleitenden Einrichtungen für Wechsel- oder Drehstrom derart auszugestalten, daß möglichst gleich mäßige Stromdichten über den Querschnitt der Zuführungsleiter erreicht und die Wirbelstromverluste möglichst klein gehalten werden.The object of the invention is to provide a power supply to superconducting devices for alternating or Design three-phase current in such a way that as equal as possible moderate current densities achieved over the cross section of the supply conductor and the eddy current losses as possible can be kept small.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß zwischen den Supraleitern und mindestens jeweils einer sich auf einer Zwischentemperatur befindenden Stelle der Stromzuführung die Stromleiter als koaxiale Kreiszylinder mit einer Wanddicke von höchstens der Eindringtiefe des Stromes bei der Temperatur des Supraleiters und der Betriebsfrequenz ausgebildet sind und daß das Verhältnis von Zylinder-Durchmesser zur Wanddicke wenigstens gleich der Hertz-Zahl der Betriebsfrequenz istThis object is achieved according to the invention in that between the superconductors and at least each a point of the power supply that is at an intermediate temperature, the current conductors as coaxial circular cylinders with a wall thickness of at most the penetration depth of the current at the temperature of the superconductor and the operating frequency are formed and that the ratio of the cylinder diameter to the wall thickness is at least equal to the Hertz number of the operating frequency

Die erfindungsgemäße Stromzuführung eignet sich für mit Wechselstrom oder Drehstrom betriebene supraleitende Einrichtungen, beispielsweise für supraleitende Drehstromkabel, Schalter. Transformatoren und Maschinen. Sie kann vorwiegend bei den technischen Frequenzen von 50 und 60 H/ und bei Stromstärken von über 1000 A eingesetzt werden. Für Wechselstrom werden zwei, für Drehstrom drei koaxiale kreiszylinderförmige Stromleiter zwischen den Supraleitern und den zugehörigen auf einer Zwischentemperatur befindlichen Stellen vorgesehen.The power supply according to the invention is suitable for superconducting superconductors operated with alternating current or three-phase current Devices, for example for superconducting three-phase cables, switches. Transformers and Machinery. It can mainly be used with the technical frequencies of 50 and 60 H / and with currents of over 1000 A can be used. Two coaxial circular cylinders are used for alternating current and three for three-phase current Current conductors located between the superconductors and the associated ones at an intermediate temperature Places provided.

Die koaxiale Anordnung und die geringe Wanddicke bewirken etwa eine gleichmäßige Stromdichte und der große Zylinderdurchmesser eine Verringerung der Wirbelströme. Durch die angegebene Bemessung erreicht man, daß für Wechselstrom-Stromzuführungen die Verlusterhohung und damit der zusätzliche Kühlaufwand gegenüber einer optimierten Gleichstrom-Stromzuführung bei derselben Stromstärke nicht mehr erheblich ist. Bei 50 Hz wird der Zylinderdurchmesser also mindestens 50mal so groß gewählt wie die Wanddicke. The coaxial arrangement and the small wall thickness cause an approximately uniform current density and the large cylinder diameters reduce eddy currents. Achieved by the specified rating one that for alternating current power supplies the increased loss and thus the additional cooling costs compared to an optimized direct current power supply with the same amperage no longer is substantial. At 50 Hz, the cylinder diameter is chosen to be at least 50 times as large as the wall thickness.

Es ist bei Gleichstrom bekannt, daß sich durch Verwendung von hochreinem Nickel als Material für ώ>: Stromleiter besonders günstige Verhältnisse ergeben. Dies ist auch bei der erfindungsgemäßen Wechselstrom-Stromzuführung der Fall. Bei 50 Hz und Nickel von 99,997% Reinheit ist die Eindringtiefe bei 4,2 K nur etwa 0,2 mm. Eine solche oder eine noch geringere Wanddicke ergibt jedoch kein festes Rohr von mindestens 10 mm Durchmesser. Es ist deshalb vorteilhaft, den zylindrischen Leiter durch Auflegen einer dünnen Metallfolie auf ein Kunststoffrohr genügender Wandstärke zu bilden. Das Kunststoffrohr soll geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dazu eignet sich beispielsweise Nylon. Der innere Hohlraum wird zur Vermeidung von Wärmeleitung durch eingedrungenes Gas zweck mäßig mit Schaumstoff oder wärmeisolierendem Pulver ausgefüllt. Die Verwendung von Nickel oberhalb von etwa 80 K lohnt sich jedoch nicht, weil wegen der dann schlechteren elektrischen Leitfähigkeit relativ große Leiterquerschnitte erforderlich wären. Während zwischen den Supraleitern und sich auf einer Zwischentemperatur von etwa 80 K befindenden Stellen der Stromzuführung als Leitermaterial vorteilhaft Nickel mit einer Reinheit von mindestens 99,99% verwendet wird, ist zwischen den auf etwa 80 K und den auf Raumtemperatur befindlichen Stellen der Stromzuführung daher als Stromleiter Kupfer vorzuziehen. Bei Ausbildung der Stromleiter als koaxiale Zylinder mit einer Wanddicke von höchstens der Eindringtiefe bei 80 K kann dann in den Teilen der S'romleiter, die zwischen den auf 80 K und den auf Raumtemperatur be-In the case of direct current, it is known that the use of high-purity nickel as a material for ώ>: current conductors results in particularly favorable conditions. This is also the case with the alternating current power supply according to the invention. At 50 Hz and nickel of 99.997% purity, the penetration depth at 4.2 K is only about 0.2 mm. However, such a wall thickness or an even smaller one does not result in a solid tube with a diameter of at least 10 mm. It is therefore advantageous to form the cylindrical conductor by placing a thin metal foil on a plastic tube of sufficient wall thickness. The plastic pipe should have low thermal conductivity. Nylon, for example, is suitable for this purpose. The inner cavity is appropriately filled with foam or heat-insulating powder to avoid heat conduction through penetrated gas. The use of nickel above about 80 K is not worthwhile, however, because relatively large conductor cross-sections would be required because of the poorer electrical conductivity. While nickel with a purity of at least 99.99% is advantageously used as the conductor material between the superconductors and points of the power supply located at an intermediate temperature of about 80 K, between the points of the power supply located at about 80 K and those at room temperature is therefore considered to be Copper conductors are preferable. If the current conductors are designed as coaxial cylinders with a wall thickness of at most the penetration depth at 80 K, the parts of the current conductors that are between the 80 K and the room temperature

findlichen Stellen der Stromzuführung liegen, das Verhältnis von Zylinderdurchmesser zur Wanddicke kleiner als die Hertz-Zahl der Betriebsfreqtenz gemacht werden.sensitive points of the power supply lie, the ratio from cylinder diameter to wall thickness is made smaller than the Hertz number of the operating frequency will.

Dies folgt daraus, daß die Wirbelstromverluste mit höherem spezifischem Leiterwidersland abnehmen, die Gleichstromverluste dagegen zunehmen und auße -dem die Kompressorleistung je Watt, das durch flüssigen Stickstoff w^ggekühlt wird, nur etwa 10 W beträgt Die Verlustvergrößerung durch Wirbelströme verliert mit zunehmender Temperatur an Gewicht. Die Verwendung von Kupfer stau Nickel bei Temperaturen über 80 K bringt den Vorteil, daß kleinere Querschnitte verwendet werden können und der Anschluß bei Raumtemperatur einfacher ist Außerdem ist Kupfer als Leitermaterial viel billiger als hochreines Nickel. Zur weiteren Verminderung des Kühlaufwandes für die Stromzuführungen kann es zweckmäßig sein, die normalleitenden Stromleiter in der Nähe der Stelle, wo sie an die Supraleiter grenzen, mit einer dünnen Schicht eines Supraleiters besonders hoher kritischer Temperatur, z. B. Nb3Sn, zu überziehen, so daß die Supraleitung noch ein Stück der Zuführungslänge erhalten bleibt, obwohl die Temperatur bereits über 4,2 K angestiegen ist. Diese Maßnahme eignet sich auch für Gleichstrom-Stromzuführungen. This follows from the fact that the eddy current losses decrease as the specific conductor cross-country increases On the other hand, direct current losses increase and also the compressor output per watt that is generated by liquid Nitrogen is cooled, which is only about 10 W. Increased loss due to eddy currents loses weight with increasing temperature. The usage of copper accumulating nickel at temperatures above 80 K has the advantage that smaller cross-sections are used and connection is easier at room temperature. Also, copper is than Conductor material much cheaper than high purity nickel. To further reduce the cooling effort for the It can be useful to place the normally conducting current conductors in the vicinity of the point where they are connected border on the superconductor, with a thin layer of a superconductor particularly high critical temperature, z. B. Nb3Sn, to be coated so that the superconductivity is still a part of the lead length, although the temperature has already risen above 4.2 K. This measure is also suitable for direct current power supplies.

Das Verhältnis von Leiterquerschnitt zu Leiterlänge wird auch bei Wechselstrom ähnlich wie bei Gleichstrom optimiert Es ist daher zweckmäßig, die Querschnitte der verschiedenen koaxialen, zylindrischen Leiter annähernd gleich groß zu machen, für einen größeren Durchmesser also die Wanddicke entsprechend zu verkleinern.The ratio of conductor cross-section to conductor length is also similar with alternating current as with direct current It is therefore advisable to optimize the cross-sections of the various coaxial, cylindrical To make conductors approximately the same size, so the wall thickness accordingly for a larger diameter to zoom out.

Man könnte eine Stromzuführung für ebenso kleine ohmsche Verluste und Wirbelstromverluste auch durch Verwendung von nicht koaxialen Litzen erreichen, bei denen isolierte Adern so miteinander verflochten sind, daß die einzelnen Adern in jeder Querschnittslage gleiche Längen durchlaufen. Die Berechnungen zeigen aber, daß dann wegen der viel größeren magnetischen Feldstärke Adern verwendet werden müßten, die viel Uinner als die Eindringtiefe sind. Dabei ergibt sich bei großen Stromstärken eine Aderzahl weit über 10⁴. Das erschwert die Kontaktierung mit dem Supraleiter und anderen Leitern. Außerdem würde eine derartige Stromzuführung ein Vielfaches der erfindungsgemäßen Stromzuführung kosten.A power supply for equally small ohmic losses and eddy current losses could also be achieved by using non-coaxial strands, in which insulated wires are interwoven in such a way that the individual wires run through the same lengths in every cross-sectional position. The calculations show, however, that because of the much greater magnetic field strength, cores would have to be used which are much smaller than the penetration depth. This results in a number of cores well over 10 ⁴ with high currents. This makes contact with the superconductor and other conductors more difficult. In addition, such a power supply would cost a multiple of the power supply according to the invention.

Die Figur zeigt eine Stromzuführung nach der Erfindung für Drehstrom von 50 Hz und etwa 2500 A im Längsschnitt Die Durchmesser sind etwa natürliche Größe, die Längen sind stark verkürzt Die Gesamtlänge der Durchführung beträgt mehrere Meter. Aus zeichnerischen Gründen ist die Wanddicke der koaxialen Zylinder zwischen Supraleiter und Zwischenkühler übertrieben. Die isolierten Supraleiter sind mit 1, 2, 3 bezeichnet. Sie sind in der Figur in einer Ebene dargestellt, doch wird man sie im allgemeinen im Dreieck anordnen. Sie befinden sich in einem mit flüssigem Helium gefüllten Rohr mit Wärmeisolierung 16 und 17 in evakuierten Hohlräumen, die durch einen stickstoffgekühlten Strahlungsschild 18 voneinander getrennt sind. Der Strom geht von den drei Supraleitern über angelötete oder angeschweißte Scheiben aus Nickel oder Kupfer auf die drei koaxialen zylindrischen Stromleiter 4, 5, 6 über, die an einer durch flüssigen Stickstoff gekühlten, auf einer Zwischentemperatur befindlichen Stelle mit drei zylindrischen, koaxialen Stromleitern 10, 11, 12 aus Kupfer verbunden sind. Diese stehen am rechten Ende der Durchführung mit wassergekühlten Anschlußschellen 13, 14, 15 aus Kupfer in gut strom- und wärmeleitendem Kontakt. Die dünne Folie des zylindrischen Leiters 6 ist auf ein Nylonrohr 7 aufgelegt, das im Innern mit Schaumstoff ausgefüllt ist. Die drei zylindrischen Leiter sind durch die Isolierung 9 gegeneinander und durch die Isolierung 8 gegen die Metallwandung der evakuierten Wärmeisolierung 17 elektrisch isoliert Man kann dafür eine Umspinnung mit Kunststoff-Folien benützen. An der Stelle, wo die hochreinen Metalleiter 4,5 und 6 mit den zylindrischen Kupferleitern 10, 11, 12 verbunden sind und die Zwischenkühlung durch flüssigen Stickstoff erfolgt, werden zur Erreichung genügender Durchschlagsfestigkeit und ausreichender Kriechwege die äußeren stromleitenden Zylinder im Durchmesser vergrößert und die elektrische Isolierung mit konzentrischen Rillen versehen. Der flüssige Stickstoff wird bei 19 zugeführt und kann bei 20 als Gas entweichen.The figure shows a power supply according to the invention for three-phase current of 50 Hz and about 2500 A in longitudinal section The diameters are approximately natural Size, the lengths are greatly shortened The total length the implementation is several meters. For reasons of drawing, the wall thickness is the coaxial The cylinder between the superconductor and the intercooler is exaggerated. The isolated superconductors are marked with 1, 2, 3 designated. They are shown in one plane in the figure, but will generally be seen in a triangle arrange. You are in a tube filled with liquid helium with thermal insulation 16 and 17 in evacuated cavities, which are separated from one another by a nitrogen-cooled radiation shield 18. The current goes from the three superconductors via soldered or welded discs made of nickel or Copper on the three coaxial cylindrical current conductors 4, 5, 6, which are connected to a cooled by liquid nitrogen, at an intermediate temperature point with three cylindrical, coaxial current conductors 10, 11, 12 made of copper are connected. These are at the right end of the implementation with water-cooled Connection clamps 13, 14, 15 made of copper in good current and heat conductive contact. The thin film of the cylindrical Head 6 is placed on a nylon tube 7, which is filled with foam on the inside. The three cylindrical conductors are through the insulation 9 against each other and through the insulation 8 against the metal wall the evacuated thermal insulation 17 is electrically insulated Use plastic sheeting. At the point where the high-purity metal conductors 4, 5 and 6 with the cylindrical copper conductors 10, 11, 12 are connected and the intermediate cooling is carried out by liquid nitrogen, are used for Achieving sufficient dielectric strength and sufficient creepage distances the external current-conducting The cylinder is enlarged in diameter and the electrical insulation is provided with concentric grooves. The liquid nitrogen is fed in at 19 and can escape as a gas at 20.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Stromzuführung zu supraleitenden Einrichtun-1. Power supply to superconducting equipment ' geä für Wechsel- oder Drehstrom, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Supraleitern und mindestens jeweils einer sich auf einer Zwischentemperatur befindenden Stelle der Stromzuführung die Stromleiter als koaxiale Kreiszylinder mit einer Wanddicke von höchstens der Eindring- ίο tiefe des Stromes bei der Temperatur des Supraleiters und der Betriebsfrequenz ausgebildet sind, wobei das Verhältnis von Zylinder-Durchmesser zur Wanddicke mindestens gleich der Hertz-Zahl der Betriebsfrequenz ist ,'geä for alternating or three-phase current, characterized that between the superconductors and at least one each is at an intermediate temperature located point of the power supply, the conductor as a coaxial circular cylinder with a wall thickness of at most the penetration ίο depth of the current at the temperature of the superconductor and the operating frequency, the ratio of cylinder diameter to Wall thickness is at least equal to the Hertz number of the operating frequency, 2. Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Supraleitern und sich auf einer Zwischentemperatur von etwa 80 K befindenden Stellen der Stromzuführung als Leitermaterial Nickel mit einer Reinheit von mindestens 99.99% und zwischen den sich auf der Zwischentemperatur befindenden Stellen und auf Raumtemperatur befindlichen Stellen als Leitermaterial Kupfer verwendet ist.2. Power supply according to claim 1, characterized in that that between the superconductors and itself at an intermediate temperature of about 80 K. located points of the power supply as conductor material nickel with a purity of at least 99.99% and between that based on the intermediate temperature places and places at room temperature as conductor material copper is used. 3. Stromzuführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterquerschnitte der verschiedenen koaxialen Zylinder (4, 5, 6 bzw. 10,11,12) etwa gleich groß sind.3. Power supply according to claim 1 or 2, characterized in that the conductor cross-sections of the various coaxial cylinders (4, 5, 6 or 10, 11, 12) are approximately the same size. 4. Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Stromleiter (4,5,6) aus dünner Metallfolie bestehen und durch Kunststoffzylinder geringer Wärmeleitfähigkeit gestützt und voneinander isoliert sind.4. Power supply according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cylindrical Current conductors (4,5,6) consist of thin metal foil and, thanks to plastic cylinders, have low thermal conductivity are supported and isolated from each other. 5. Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der äußeren zylindrischen S;romleiter an Stellen mit Zwischenkühlung vergrößert sind.5. Power supply according to one of claims 1 to 4, characterized in that the diameter the outer cylindrical S; romleiter are enlarged at places with intermediate cooling. 6. Stromzuführung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Supraleiter angrenzende Normallciter eine kurze Strecke mit einer dünnen Schicht eines Supraleiters besonders hoher kritischer Temperatur überzogen ist6. Power supply in particular according to one of claims 1 to 5, characterized in that the Normal citer adjoining the superconductor a short distance with a thin layer of a superconductor particularly high critical temperature is coated