DE2250657C3 - Tieftemperaturkabel mit mehreren Leiteradern - Google Patents
Tieftemperaturkabel mit mehreren LeiteradernInfo
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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.
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)
- 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.20
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19722250657 DE2250657C3 (de) | 1972-10-16 | Tieftemperaturkabel mit mehreren Leiteradern |
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DE19722250657 DE2250657C3 (de) | 1972-10-16 | Tieftemperaturkabel mit mehreren Leiteradern |
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DE2250657A1 DE2250657A1 (de) | 1974-04-25 |
DE2250657B2 DE2250657B2 (de) | 1976-12-02 |
DE2250657C3 true DE2250657C3 (de) | 1977-07-28 |
Family
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