DE2250657C3 - Tieftemperaturkabel mit mehreren Leiteradern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Tieftemperaturkabel zur dreiphasigen Wechselstromübertragung mit einem Außenrohr, in dem ein System von drei Innenrohren angeordnet ist, die jeweils eine von einem Kühlmedium auf Tieftemperatur gekühlte Leiterader mit einem rohrförmigen Innenleiter und einem dazu konzentrischen Außenleiter enthalten.

Tieftemperaturkabel, vorzugsweise supraleitende Wechselstromkabel, sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Im allgemeinen enthalten sie ein Innenrohr, in dem auf Tieftemperatur gekühlte Leiteradern angeordnet sind. Diese Innenrohre werden, da meist flüssiges Helium als Kühlmittel in ihnen verwendet wird, auch als Heliumrohre bezeichnet. Um eine Wärmeübertragung zwischen diesen Heliumrohren und den auf Außentemperatur befindlichen Außenrohren zu unterdrücken, sind besondere Isolationsmaßnahmen erforderlich. Vorteilhaft wird dazu das Heliumrohr an dünnen Drähten aufgehängt. In einer speziellen Ausführungsform eines solchen Tieftemperaturkabels ist zwischen Innen- und Außenrohr ein weiteres Rohr konzentrisch angeordnet. Es dient als sogenannter Strahlungsschild und wird besonders gekühlt, beispielsweise mit flüssigem Stickstoff. Dieser Strahlungsschild soll eine direkte Wärmeübertragung zwischen Außen- und Heliumrohr verhindern. Das Außenrohr ist vakuumfest ausgeführt.

In einem Tieftemperaturkabel für mehrphasige Wechselstromübertragung, vorzugsweise Drehstromübertragung, sind mehrere tiefgekühlte Leiteradern erforderlich. Solche Kabel werden als Tieftemperaturstrecken für den Energietransport mit großen Wechselströmen verwendet. Eine ungünstige elektrische Beeinflussung der Leiteradern untereinander muß dabei ebenso ausgeschlossen sein wie ein übermäßiger Aufwand an Kühlmitteln und elektrischer sowie thermischer Isolation. Ferner soll eine stabile Lage der Leiteradern und der Rohre in einem solchen Tieftemperaturkabel mittels entsprechender mechanischer Konstruktionen gewährleistet sein, die dennoch ein einfaches Zusammensetzen dieser Kabel ermöglichen.

Aus der deutschen Auslegeschrift 16 40 750 ist eine Ausführungsform eines supraleitenden Wechselstromkabeis mit einem System aus drei parallel zueinander angeordneten Leiteradern bekannt. Jede dieser Leiteradern besteht aus einem Rohr aus supraleitendem Material. Besondere Abstandshalter aus Kunststoff halten jedes dieser supraleitenden Rohre in konzentrischer Lage innerhalb einer weiteren rohrförmigen Außenhülle, beispielsweise aus Kunststoff oder elektrisch schwach leitendem Metall. Die Leiteradern werden von flüssigem Helium durchströmt und gegenüber ihren Außenhüllen ebenfalls durch flüssiges oder gasförmiges Helium als elektrisches Isolationsmittel abgeschirmt. Drei dieser rohrförmigen Außenhüllen mit ihren Leiteradern im Innern werden mittels Bändern zu einem Drehstromsystem verspannt. Besondere Abstandsstücke aus Kunststoff zwischen den Außenhüllen gewährleisten ihre stabile, äquidistante Lage untereinander und sorgen zugleich für eine gleichmäßige Kühlung der Außenhülien des Systems. Ein mit Helium gekühltes Innenrohr, das mit Drähten in einem Außenrohr aufgehängt ist, enthält ein oder auch mehrere solcher Leitersysteme. Diese starre Verbindung der Leiteradern untereinander kann zwar als Drehstromsystem geschlossen innerhalb eines Innenrohres verlegt werden. Eine spätere Montage oder Demontage einer einzelnen Leiterader ist dagegen nicht möglich.

Ferner ist der Aufwand an Helium als Kühlmittel in der bekannten Ausführungsform verhältnismäßig hoch. Bei einem radialen Querschnitt durch das Kabel bilden jeweils zwei der Leiteradern mit dem Innenrohr einen Zwickel, der einen zusätzlichen Raum darstellt, der mit Helium gefüllt werden muß.

Auch aus der französischen Patentschrift 15 95 500 ist ein Tieftemperaturkabel, insbesondere zur dreihphasigen Wechselstromübertragung, mit einem Außenrohr bekannt, das ein System von drei untereinander befestigten Innenrohren mit jeweils gleichem Durchmesser umschließt. Im Inneren jedes Innenrohres ist eine Leiterader angeordnet, die einen rohrförmigen Innenleiter enthält, der von einer Isolation und einem Außenleiter konzentrisch umgeben ist. Die Querschnitte der Leueradern sind ebenfalls gleich (Fig.5). Zur Kühlung des Innen- und Außenleiters in jedem Innenrohr wird der Raum zwischen der Innenwand des Innenrohres und dem Außenleiter sowie der Raum im Inneren des Innenleiters von einem Kühlmittel durchströmt. Da bei der bekannten Ausführungsform eines Tieftemperaturkabels die Innenrohre sowie die Leiteradern jeweils gleiche Durchmesser haben, ergeben sich für eine Kühlmittelführung in den Innenrohren folgende Möglichkeiten. Zum einen kann in jedem Innenrohr das Kühlmittel in Hin- und Rückrichtung fließen. Hierbei werden zweckmäßig gleiche Strömungsgeschwindigkeiten gewählt. Es besteht dann aber die Gefahr von thermischen Kurzschlüssen zwischen den im Inneren eines Innenrohres in entgegengesetzten Richtungen fließenden Kühlmittelströmen. Ferner kann das Kühlmittel in allen Innenrohren nur in einer Richtung geführt werden. Zu seiner Rückführung müssen dann weitere Rohre vorgesehen sein. Der zur Kühlung der Leiteradern erforderliche Kühlmittelbedarf ist in diesem Fall verhältnismäßig hoch. Darüber hinaus können aber auch zwei Innenrohre für die eine Strömungsrichtung vorgesehen werden. Das dritte Rohr kann dann zur Rückführung des Kühlmittels in der Gegenrichtung dienen. Hierbei muß jedoch die Strömungsgeschwindigkeit in dem einzelnen, dritten Rohr gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit in den beiden anderen Rohren in Hinrichtung wesentlich erhöht werden. Es ist damit die Gefahr einer Erhöhung der Temperatur in dem Kühlmittel aufgrund der entsprechenden Strö-

mungswiderstandserhöhung verbunden.

Diese kühltechnischen Schwierigkeiten können auch nicht mit den aus der Zeitschrift »Cryogenics«, Juni 1969, Seiten 171 bis 176 bekannten Modifikationen für den Transport eines Kühlmediums in Tief "jmperaturkabein zur dreiphasigen Wechselstromübertragung völlig vermieden werden. Diese Schwierigkeiten ergeben sich insbesondere dann, wenn jeder Phasenleiter aus einem Innenleiter und einem konzentrischen Außenleiter aufgebaut ist. Bei den aus dieser Literaturstelle bekannten Phasenleitern sind jedoch Außenleiter nicht vorgesehen. Die Zahl der zu kühlenden Leiterflächen wird zwar dadurch verringert; eine Abschirmung des einzelnen Phasenleiters ist aber dann nicht möglich. Die drei Phasenleiter können entweder in einem gemeinsamen Innenrohr getrennt (Fig. 10a) oder sich gegenseitig umschließend (Fig. lOd) angeordnet sein. Darüber hinaus kann für jede Phase auch eine eigene Leitung vorgesehen sein. Bei diesen Ausführungsformen ist jedoch im allgemeinen eine zusätzliche Kühlmittelrückführungsleitung, sei es innerhalb des Innenrohres (F i g. 10a) oder auch außerhalb des Kabels (F i g. 10b bis d), erforderlich. Der apparative Aufwand zur Kühlung des bekannten Dreiphasenwechselstromkabels sowie der Kühlmittelbedarf sind deshalb verhältnismäßig hoch.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Tieftemperaturkabel zur Dreiphasenwechselstromübertragung zu verbessern, insbesondere deren kühltechnischen Schwierigkeiten zu verringern, den Kühlmittelaufwand herabzusetzen und zugleich eine verhältnismäßig einfache Montage der einzelnen Leiteradern zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird für das Kabel der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Durchmesser eines der Innenrohre größer als der Durchmesser der beiden anderen Innenrohre ist und daß die Strömungsrichtung des zur Kühlung der Außen- und Innenleiter jeder Leiterader vorgesehenen Kühlmediums in dem Innenrohr mit dem größeren Durchmesser entgegengesetzt der Strömungsrichtung des Kühlmediums in den beiden anderen Innenrohren ist.

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß zwei Rohre für die Hinleitung des Kühlmediums und das dritte Rohr mit entsprechend größerem Innendurchmesser für die Rückleitung des Kühlmediums in entgegengesetzter Richtung vorgesehen werden können. Mit dieser Gestaltung werden annähernd gleiche Strömungsgeschwindigkeiten und damit auch gleiche Druckverhältnisse des Kühlmediums ermöglicht, und eine Erhöhung der Strömungswiderstände wird vermieden. Ferner werden damit unerwünschte thermische Kopplungseffekte innerhalb der einzelnen Rohre ausgeschlossen.

Darüber hinaus ist der Kühlmittelbedarf innerhalb der einzelnen Innenrohre verhältnismäßig gering, weil der Innendurchmesser von zwei Innenrohren nicht viel größer als der Außendurchmesser der einzelnen Leiteradern zu sein braucht. Jede Leiterader kann ferner einzeln jeweils in eines der Rohre des Innenrohrsystems eingezogen und somit auch einzeln ausgewechselt werden. Das verhältnismäßig geringe Gewicht einer einzelnen Leiterader ermöglicht ein entsprechend leichtes Gleiten der Adern bei ihrem Einziehen in die Innenrohre. Die Reibung der Leiteradern an den Innenrohren kann vorteilhaft dadurch noch weiter vermindert werden, daß der AuOenmantel der Leiterader, das ist im allgemeinen die freie Oberfläche der Bandagierung, mit Nocken versehen wird. Hierdurch werden, da sich längere zusammenhängende Strecken verlegen lassen, weniger elektrische Verbindungen der einzelnen supraleitenden Leiterabschnitte benötigt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der ein Querschnitt durch einen Teil eines Tieftemperaturkabels nach der Erfindung veranschaulicht ist.

Nach der Figur wird von drei Innenrohren 2 bis 4 ein Innenrohrsystem gebildet, das von einem Kühlmedium, vorzugsweise Helium, durchflossen ist und im Innern eines in der Figur nicht vollständig dargestellten Tieftempeiraturkabels angeordnet sein kann. Die Innenrohre 2 bis 4 sind mit sternförmigen Dreibeinen 10 untereinander verbunden, die in vorzugsweise regelmäßigen Abständen in Kabellängsrichtung zwischen den Innenrohren angeordnet sein können. Zweckmäßig kann das Dreibein 10 mit dem Außenmantel der Innenrohre verlötet oder verschweißt sein. Die Schweißnähte 11 bis 16 sind in der Figur an den Berührungskanten zwischen dem Ende jedes der Beine des Dreibeins 10 und dem Außenmantel der jeweiligen Innenrohre angedeutet. Zwischen den beiden Schweißnähten 11,12 bzw. 13,14 bzw. 15,16 am Ende der Beine des Dreibeins 10 ist jeweils ein Befestigungselement 17 bzw. 18 bzw. 19 angeordnet.

Jedes dieser Befestigungselemente kann vorzugsweise aus zwei Halterungen 21 für eine Achse 22 bestehen, an der ein Ende eines Drahtes befestigt ist. Diese Drähte 6 bis 8 dienen sowohl zur Aufhängung des Innenrohrsystems als auch zu dessen Zentrierung in einem in der Figur nicht dargestellten Außenrohr. Ihre Enden können dabei als Schlinge um die Achsen 22 gelegt sein. Diese Drähte halten mittels besonderer Halteelemente 23 bis 25, deren Einzelheiten in der Figur nicht näher dargestellt sind, zugleich einen konzentrisch um das Innenrohrsystem angeordneten Strahlungsschild, der vorzugsweise aus zwei halbzylinderförmigen Teilen 27 und 28 bestehen kann, die zweckmäßig mittels der Elemente 23 und 26 thermisch gegeneinander isoliert verbunden se>n können. An ihren Innenwandungen sind jeweils zwei besondere Kühlrohre 31, 32 bzw. 33, 34 wärmeleitend angebracht. Als Kühlmedium für den Strahlungsschild ist vorzugsweise Stickstoff geeignet.

In den Innenrohren 2 bis 4 des Innenrohrsystems ist jeweils eine von einem Kühlmedium, vorzugsweise Helium, tiefgekühlte Leiterader 40 bzw. 41 bzw. 42 angeordnet. Die Einzelheiten der Gestaltung ihres Aufbaues sind für die Erfindung nicht wesentlich. In der dargestellten Ausführungsform bestehen die Leiteradern aus einer hohlzylinderförmigen Kunststoffisolation 51, auf deren Innen- und Außenmantel Drähte 52 bzw. 53 aus supraleitendem Material in Achsrichtung der Leiterader nebeneinander angeordnet sind. Eine stabile Lage der supraleitenden Drähte 52 und 53 wird jeweils durch eine bandförmige Bewehrung 54 bzw. 55 gewährleistet. Dabei ist die Bewehrung 54 so gestaltet, daß sie eine Schraubenlinie um die Achse der Leiterader bildet und die Drähte 52 gegen die Isolation 51 drückt. Die Gestaltung der Bewehrung in Form einer Schraubenlinie, deren Ganghöhe größer als die Breite des Bandes ist, hat den Vorteil, daß sie dem Kühlmedium einen guten Zutritt zu den supraleitenden Drähten ermöglicht.

In ähnlicher Weise ist die Bewehrung 55 bandagenartig um die Leiterader gewickelt, so daß die supraleitenden Drähte 53 gegen die Isolation 51 gedruckt werden. In der dargestellten Ausführungsform ist die Ganghöhe

der Bewehrung 55 gleich der Bandbreite, d. h. es treten zwischen den einzelnen Windungen der Bewehrung keine Zwischenräume auf. Dann ist es zweckmäßig, den direkten Zutritt des Kühlmediums zu den supraleitenden Drähten 53 durch besondere Aussparungen oder öffnungen in der Bewehrung zu ermöglichen. Darüber hinaus kann diese Bewehrung 55 vorteilhaft mit Nocken 56 versehen sein, die etwa regelmäßig über ihre Oberfläche verteilt angeordnet sein können. Die Leiteradern 40 bis 42 liegen dann nur mit den Spitzen dieser Nocken am Innenmantel der jeweiligen Innenrohre 2 bis 4 an. Dadurch wird ein gleichmäßiger Kühlmittelzutritt zur gesamten Leiteraderoberfläche gewährleistet. Ferner gestatten diese Nocken 56 ein reibungsarmes Hinein- oder Herausziehen der einzelnen Leiteradern bei der Montage bzw. Demontage des Kabels.
Bei dem Dreiphasenwechselstromkabel nach der Erfindung ist vorgesehen, daß in dem System aus den drei Innenrohren 2 bis 4 durch die beiden Rohre 2 und 3 einschließlich ihren Leiteradern 40 und 41 das Kühlmedium nur in der einen Richtung und durch das dritte Rohr 4 einschließlich seiner Leiterader 42 in entgegengesetzter Richtung fließt. Diese Art der Kühlung hat den besonderen Vorteil, daß unerwünschte thermische Kopplungseffekte innerhalb der einzelnen Rohre vermieden werden. Eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr 4 tritt vorteilhaft nicht aul, weil sein Querschnitt entsprechend größer als der Querschnitt der beiden anderen Rohre 2 und 3 gewählt wird. Damit wird eine Temperaturerhöhung des Kühlmediunis auf Grund einer Vergrößerung von Strömungswiderständen vermieden. Aus Stabilitätsgründen kann das Rohr 4 vorteilhaft an der schwerpunktmäßig tiefsten Stelle des lnnenrohrsystems angeordnet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch;

   Tieftemperaturkabel zur dreiphasigen Wechselstromübertragung mit einem Außenrohr, in dem ein System von drei Innenrohren angeordnet ist, die jeweils eine von einem Kühlmedium auf Tieftemperatur gekühlte Leiterader mit einem rohrförmigen Innenleiter und einem dazu konzentrischen Außenleiter enthalten, dadurch gekennzeichnet, to daß der Durchmesser eines der Innenrohre (4) größer als der Durchmesser der beiden anderen Innenrohre (2,3) ist und daß die Strömungsrichtung des zur Kühlung der Außen- und !nnenleiter (53 bzw. 52) jeder Leiterader (40 bis 42) vorgesehenen Kühlmediums in dem Innenrohr (4) mit dem größeren Durchmesser entgegengesetzt der Strömungsrichtung des Kühlmediums in den beiden anderen Innenrohren (2,3) ist.

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