DE2307242C3 - Elektrischer Leiter aus supraleitenden Einzelleitern - Google Patents
Elektrischer Leiter aus supraleitenden EinzelleiternInfo
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Description
a =
m 3 ,
^ · (I + COS .1) - , COSrj
sin.i = 1 -
ist. wobei
und 6 die kleine Querschnittshalbachse der Einzelleiter (2) und m die Anzahl der Einzelleiter (2) ist
4. Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelleiter
(2) aus Aluminium hoher Reinheit bestehen, die mit einem Überzug aus Niob versehen sind.
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter, insbesondere zur Drehstromübertragung, mit einem
Innenleiter aus mehrlagig angeordneten supraleitenden Einzelleitern und einem den Innenleiter konzentrisch
umschließenden Außenleiter aus supraleitenden Einzelleitern.
Die technologische Entwicklung der supraleitenden Materialien sowie der Tieftemperaturtechnik erlauben
die Übertragung höchster Leistungen mit supraleitenden Kabeln. Es erhebt sich dabei die Frage, ob diese
Übertragung mittels Drehstrom oder Gleichstrom erfolgen soll. Bei einem Gleichstrombetrieb der
supraleitenden Kabelstrecke würden zwar in den Supraleitern keine Wechselstromverluste auftreten,
dagegen müßten Gleichrichtersysteme für höchste Leistungen entwickelt und eingesetzt werden. Deshalb
durften solche Gleichstromkabel hauptsächlich zur Übertragung höchster Leistungen (bis 200 GW) über
große Entfernungen in Betracht gezogen werden, wobei sogenannte harte Supraleiter, wie Niob—Titan oder
Niob—Zinn zur Anwendung kommen dürften. Supraleitende
Drehstromkabel dürften wegen ihrer höheren Betriebskosten pro Kilometer im Vergleich zu den
Gleichstromkabeln in erster Linie zur Energieübertragung über kürzere Entfernungen, je nach Leistung und
Spannung bis etwa 100 km, geeignet sein. Ihr Einsatz erscheint besonders vorteilhaft zur Einspeisung mittlerer
bis hoher Leistungen (1 bis 10 GW) aus bestehenden Wechselstromhochspannungsnetzen in die Ballungszentren
des Energieverbrauchs, z. B. die Städte.
Als Baustoffe im Hinblick auf die Wechselstromveriuste werden zweckmäßig sogenannte weiche Supraleiter wie beispielsweise Niob und in geringerem Maße auch Blei verwendet Die Wechselstromverluste ün Niob bleiben gering, wenn die an der Leiteroberfläche
Als Baustoffe im Hinblick auf die Wechselstromveriuste werden zweckmäßig sogenannte weiche Supraleiter wie beispielsweise Niob und in geringerem Maße auch Blei verwendet Die Wechselstromverluste ün Niob bleiben gering, wenn die an der Leiteroberfläche
to auftretende magnetische Feldstärke unter der kritischen Feldstärke H« bleibt (etwa 1,1 ■ 10» A/m bei 4,2 K). Der
Strom fließt nur in einer Bruchteile von paa starken Oberflächenschicht, so daß man mit sehr geringen
Schichtdicken des Supraleiters auskommen kann. Ais
is Leiterformen kommen zylindrische oder hohlzylindrische
Ausführungen in Betracht damit eine ungleichmäßige Stromverteilung vermieden wird.
Supraleitende Wechselstromkabel sind bisher in verschiedenen Ausführungsformen bekanntgewordea
Ein aus der deutschen Auslegeschrift 16 40 750 bekanntes Drehstromkabel sieht für jede Phase einen eigenen
Leiter vor. Diese Phasenleiter sind so ausgebildet daß um einen rohrförmigen supraleitenden Phasen-Hinleiter
ein rohrförmiger supraleitender Phasen-Rückleiter konzentrisch in einem vorbestimmten Abstand angeordnet
ist der mittels besonders ausgebildeter Abstandselemente gewährleistet ist Die rohrförmigen
supraleitenden Phasenleiter können durch normalleiter
des Material stabilisiert sein. Die drei Rückleiter dieser Drehstromanordnung werden am Kabeleingang
miteinander verbunden, so daß dadurch eine vollständige Feldkompensation außerhalb des Leitersystems
erreicht wird. Die Leiter sind kräftefrei, die Strom- und
Feldverteilung an den Leiteroberflächen ist homogen, und die Wechselstromverluste des Supraleiters sind von
der Geometrie her gering. Durch einen genügenden Abstand zwischen dem Hin- und dem Rückleiter einer
jeden Phase kann eine gewünschte Hochspannungsfestigkeit erreicht werden. Jedoch ist die elektrisch
stabilisierende Wirkung des normalleitenden Materials bei einer solchen Rohranordnung auf Grund der
rohrförmigen Ausbildung der Phasenleiter durch den Skineifekt beschränkt Darüber hinaus muß die
Längenkompensation beim Abkühlen des Kabels jedoch über Wellkörper erfolgen. Diese starre Kabelanordnung
hat somit den Nachteil schwieriger Montage beim Verlegen im Gelände. Von KI a u d y ist deshalb
in »Elektrotechnik und Maschinenbau«, Bd. 82,1965, S.
275 bis 281, vorgeschlagen worden, die Leiteranordnung aus mehreren Drehstromsystemen aufzubauen, wobei
jedes dieser Systeme aus drei dünnen, möglichst dicht im Dreieck angeordneten, isolierten Supraleiterdrähten
besteht Mit diesem Leiteraufbau ist die Konstruktion eines flexiblen Kabels, mit nahezu vollständiger
jedoch die Übcrtragungsspannung klein gehalten werden, da andernfalls Esolationsprobleme und große
dielektrische Verluste auftreten würden.
1972, S. 93 bis 110, sind auch schon Gleichstromkabel bekannt die den Vorteil der Flexibilität auf Grund des
Kabelaufbaus aus elektrisch parallelgeschalteten Einzelleitern mit dem Vorteil der gewünschten Hochspannungsfestigkeit
der rohrförmigen Leiter vereinen, indem die koaxial zueinander angeordneten Hin- und
Rückleiter der einzelnen Phasen aus supraleitenden Einzelleitern aufgebaut sind. Diese Einzelleiter sind
nebeneinander auf konzentrischen Kreisen um die
Leiterachse in Leiteriangsriditung ein- oder mehrlagig
angeordnet Sie könne» beispielsweise supraleitende
Drähte sein, die inh nonnalleitendem Materia], beispielsweise
Kupfer oder Aluminium, stabilisiert sind Durch eine Aufteilung des einzelnen Phasenleiters in
viele Einzelleiter wird die stabilisierende Wirkung des normalleitenden Materials im Lerer erhöht und damit
die Kurzschlußstrombelastbarkfit des gesamten Kabels
vergrößert Mehrlagige Anordnungen sind auf Grund ihres größeren prozentualen Querschnitts an normallei- ι ο
tendem Material besser als einlagigt Anord-Mingen.
Die Erfindung geht non von folgenden Überlegungen aus: Bei diesen Kabeta nrit mehreren konzentrischen
Leiteriagen fuhrt die Verwendung von einzelnen supraleitenden Drähten statt konzentrischer Rohre als
Hin- und Rückleiter zu einer Erhöhung der Wechselstromverluste.
Dabei bat der äußere Leiter jeder Phase auf Grund seines größeren Durdunessers die geringeren Wechseistromvertuste, so daß bei den folgenden
Überlegungen nur der mehrlagige Innenleiter der Phasen bezüglich dieser Verluste berücksichtigt zu
werden braucht Bekanntlich können diese Wechselstromveriuste
geringfügig vermindert werden, wenn die Einzelleiter derart zueiaander angeordnet werden, daß
jeder Einzelleiter einen gleichmäßigen Betrag des Stromes übernimmt Bei einer solchen, sogenannten
»transponierten« Anordnung sind die Wechselstromverluste, wenn man die Materialkonstanten der
Supraleiter außer acht läßt und nur rein geometrische Betrachtungen anstellt, für einen Phasenleiter aus
mehrlagig transponierten Einzelleitern mit kreisförmigem Querschnitt gegenüber einer glatten Rohranordnung
mit entsprechendem Radius um einen Faktor 3,6 größer. Sie werden durch eine Feidüberhöhung auf der
Oberfläche jedes dieser Einzelleiter bestimmt; denn in diesen Leitern befinden sich jeder stromdurchflossene
Einzelleiter im transversalen Fremdfeld aller anderen Einzelleiter. Je nach Größe des für das Leitermaterial
spezifischen Entmagnetisierungsfaktors N führt dieses transversale Fremdfeki zu einer Feldüberhöhung
bezüglich der Einzelleiter, die umgekehrt proportional zul—Λ/ist
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese mehrlagigen Phasenleiter eines Drehstromkabels zu
verbessern, insbesondere die Wechselstromverluste dadurch zu verringern, daß diese Feldüberhöhung
abgebaut wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß mindestens die Einzelleiter des Innenleiters einen
elliptischen Querschnitt haben und ihre großen Quer-Schnittsachsen senkrecht auf dem Radius des Innenleiters
stehen.
Der elektrische Leiter nach der Erfindung hat neben einer geringen Feldüberhöhung auf der Oberfläche
jedes der Einzelleiter auch den Vorteil, daß die Wechselstromverluste abnehmen. Unter der Voraussetzung
rein geometrischer Betrachtungen für einen solchen mehrlagigen Innenleiter liegen diese Wechselstromverluste,
nur um einen Faktor 1,6 höher als bei einer starren Rohranordnung. Dieser erzielbare Faktor
wird bis auf einige Prozent bereits bereits erreicht wenn das Verhältnis von großer Ellipsenhalbachse a zu
kleiner Ellipsenhalbachse b etwa 3:1 gewählt wird.
Nach einer weiteren Ausbildung eines elektrischen Leiters nach der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß
dieses Verhältnis mindestens gleich 3 ist
Vorteilhaft ist ferner bei vorgegebener Anzahl m der
Einzelleiter und vorgegebenem Halbachsenverhäitnis a: baer Einzelleiter die Größe der großen Halbachse
a =
ro 3
(I + cos») — ^ cos-ι
zu wählen, wobei Ri der Radius des gesamten
Innenleiters und
b2
sin« = 1 —
die Ellipsenexzentrizität ist Mit dieser Auslegung erhält man ein Minimum der Wechselstromverluste.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung eines elektrischen Leiters nach der Erfindung können die
Einzelleiter aus Aluminiumdrähten bestehen, die mit einem Überzug aus Niob versehen sind. Hierdurch wird
die Kurzschlußstrombelastbarkeit des Leiters erhöht Wesentlich für diese Belastbarkeit sind nämlich die
Jouleschen Verluste pro Oberfläche des normalleitenden Stabilisierungsmaterials; je geringer sie sind, desto
größer ist der zulässige Überstrom. Mit wachsender Anzahl der mehrlagig angeordneten Einzelleiter jedoch
nehmen sie bei vorgegebenem Phasenleiterdurchmesser Rizu, weil innerhalb dieses Radius Ri bei einer Erhöhung
der Anzahl der Einzelleiter die Einzelleiterquerschnittsflächen kleiner gewählt werden müssen und somit die
geometrischen Abmessungen der Querschnittsflächen sogar kleiner als die Eindringtiefe in das Leitermaterial
(Skineffekt) werden können. Die damit verbundene Erhöhung der Jouleschen Verluste ist für Aluminium
geringer als beisDielsweise für Kupfer, da auf Grund des für Aluminium besseren Restwiderstandsverhältnisses
die Eindringtiefe für dieses Leitermaterial kleiner ist Das hat zur Folge, daß erst bei einer größeren Anzahl
von solchen Einzelleitern die Eindringtiefe den Drahtdurchmesser übersteigt Als Funktion von der Exzentrizität
haben jedoch die Jouleschen Verluste ein deutliches Minimum. Es liegt etwa bei einem at zwischen
70 und 75°.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und in den Unteransprüchen gekennzeichnete Weiterbildungen
sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend erläutert
Ein Leiter einer Phase eines Drehstromkabels ist aus einzelnen supraleitenden Einzelleitern 2 und 3 aufgebaut
von denen in der Figur jeweils nur einige dargestellt sind. Die innerhalb eines Kreises mit dem
Radius Ri um die Leiterachse angeordneten Einzelleiter 2 können beispielsweise als Hinleiter einer Drehs.romphase
dienen. In einem vorgegebenen Abstand, der zur Isolation dient und somit die Hochspannungsfestigkeit
der Phase gewährleistet ist konzentrisch um diese Einzelleiter 2 eine weitere Lage mit Einzelleitern 3
angeordnet. Diese Einzelleiter 3, die wenigstens eine Lage bilden, wie in der Figur gestrichelt angedeutet ist
können als Rückleiter der Drehstromphase dienen. Die Einzelleiter 2 sind mehrlagig angeordnet d. h, mehrere
konzentrische Schichten mit Einzelleitern umschließen die Leiterachse. Ihre Lage zueinander kann vorteilhaft
so gewählt werden, daß ihre Mittelachsen auf konzentrischen Kreisen derart angeordnet sind, daß
jeder Einzelleiter zum Eigenfeld und Fremdfeld eine gleichwertige Lage hat (Transponierung). Die Einzelleiter
haben ejnen elliptischen Querschnitt mit einer Exzentrizität deren Winke! λ. etwa 7H" hpträcri nip
große Ellipsenhalbachse steht jeweils senkrecht auf dem Radius des Gesamtleiters. Die supraleitenden Einzelleiter
können vorzugsweise aus einem Aluminiumdraht als Stabilisierung bestehen, auf dem ein supraleitendes
Material, vorzugsweise Niob, aufgebracht, beispielsweise
aufgezogen ist Durch einen Isolationsmantel können diese Einzelleiter vor elektrischer Berührung mit den
benachbarten Einzelleitern geschützt werden. Die Isolationsmäntel können so ausgebildet sein, daß sie
zugleich als Abstandselemente dienen, die eine feste
Lage der Einzelleiter untereinander gewährleisten.
Ein Phasenleiter gemäß dem Ausführungsbeispiel, der einzelne niobOberzogene Aluminiumdrähte 2 und 3
enthält, kann beispielsweise zur Übertragung eines Betriebsstromes von 104 A bei einer Betriebsspannung
von 64 kV dienen. Dann beträgt die von einem Drehstromkabel mit drei solcher Phasen übertragene
Leistung etwa 2000 MVA. Die Radien des Hin- und Rückleiters einer Phase sind Ri — 3 · 10-2 m bzw.
Ra = 5 · 10~2 m. Daraus ergibt sich für das Magnetfeld
des Hinleiters ein Scheitelwert Hs - 943 mT. Dieser Wert ist wesentlich kleiner als der Wert für die untere
kritische Feldstärke von Niob Ha (Nb) < 150 mT. Ein
Optimum an Stabilisierung bei minimalen Wechselstromverlusten wird für folgende Leiterkonfiguration
erreicht: m etwa 25; « etwa 75°; a - 4 · 10-3 m;
b ■= 1 · IO-3 in, wobei m die Anzahl der Einzelleiter 2,
sin« die Exzentrizität und a, b die Halbachsen des
elliptischen Querschnitts der Einzelleiter sind.
Die zur Rückleitung der Drehstromphase dienenden supraleitenden Einzelleiter 3 haben im Ausführungsbeispiel
elliptischen Querschnitt Ihr Aufbau entspricht dem der Einzelleiter 2. Die Einzelleiter 3 können aber auch
kreisförmigen Querschnitt besitzen. Die Wechselstromverluste
für diesen koaxial angeordneten Rückleiter sind geringer, da das Magnetfeld wegen des größeren Radius
Ra klein ist Deshalb kann der Rückleiter ein- oder mehrlagig ausgeführt sein Im Falle der Normalleitung
muß jedoch der dem Strom zur Verfügung stehende Normalleiterquerschnitt dem des Hinleiters entsprechen.
Um von Materialkonstanten unabhängig zu sein, werden die Wechselstrornveriuste P auf einen identischen,
koaxialen Rohrleiter bezogen.
Dann ist P: Patohretwa 1,6. Die: Jouleschen Verluste Si pro Oberfläche für den vom Betriebsstrom durchflossenen NormaUeiter betragen etwa Si. - 0,005 W/cm2. Dagegen betragen die Verluste Sh für einen'entsprechenden Rohrleiter mit Kupfer als Stabilisierungsmaterial und einer Rohrwandstärke von 3 mm etwa Sr = 0,053 W/cm2. Mit einer geringen Lcitererwärmung von etwa 04 K können vom einem Heliumbad etwa 0,6 W/cm2 abgeführt werden. Somit kann der zulässige Überstrom, beispielsweise der Kurzschlußstrom, etwa das 11 fache des Betriebsstromies betragen. Dagegen könnte der zulässige Kurzschlußstrom eines entsprechenden Rohrleiters nicht wesentlich mehr als den dreifachen Betriebsstrom betragen.
Dann ist P: Patohretwa 1,6. Die: Jouleschen Verluste Si pro Oberfläche für den vom Betriebsstrom durchflossenen NormaUeiter betragen etwa Si. - 0,005 W/cm2. Dagegen betragen die Verluste Sh für einen'entsprechenden Rohrleiter mit Kupfer als Stabilisierungsmaterial und einer Rohrwandstärke von 3 mm etwa Sr = 0,053 W/cm2. Mit einer geringen Lcitererwärmung von etwa 04 K können vom einem Heliumbad etwa 0,6 W/cm2 abgeführt werden. Somit kann der zulässige Überstrom, beispielsweise der Kurzschlußstrom, etwa das 11 fache des Betriebsstromies betragen. Dagegen könnte der zulässige Kurzschlußstrom eines entsprechenden Rohrleiters nicht wesentlich mehr als den dreifachen Betriebsstrom betragen.
Ferner kann man die Transpomeirunj; der supraleitenden
Einzelleiter 2 und 3 so gestillten, daß die Länge des Gesamtleiters bei Temperaturänderungen konstant
bleibt
Claims (3)
- Patentanspruch«:!. Elektrischer Letter, insbesondere zur Dreh-•tromöbeirtragung mit einem Innenleitcr aus mehrlafig angeordneten supraleitenden Einzelleitern und einem den Innenletter konzentrisch umschließenden Außenleiter aus supraleitenden Einzelleitern, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Einzelleiter (2) des Innenleiters einen elliptischen Querschnitt haben und ihre großen Querschnittsachten senkrecht auf dem Radius (Ri) des Innenleiters ttehen.
- 2. Elektrischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von großer zu kleiner Achse des elliptischen Querschnitts der Einzelleiter mindestens gleich 3 ist
- 3. Elektrischer Leiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für einen vorgegebenen Radius (Ri) des Innenleiters und für eine vorgegebene Exzentrizität (sin*) der im Innenleiter angeordneten Einzelleiter (2} deren große Querschnittshalbachse
Priority Applications (7)
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DE19732307242 DE2307242C3 (de) | 1973-02-14 | Elektrischer Leiter aus supraleitenden Einzelleitern | |
CH153874A CH563650A5 (de) | 1973-02-14 | 1974-02-05 | |
FR7404480A FR2217837B1 (de) | 1973-02-14 | 1974-02-11 | |
US441348A US3876823A (en) | 1973-02-14 | 1974-02-11 | Electrical conductor made up of individual superconducting conductors |
CA192,199A CA1006930A (en) | 1973-02-14 | 1974-02-11 | Electrical conductor made up of individual super-conducting conductors |
GB663674A GB1455333A (en) | 1973-02-14 | 1974-02-13 | Electrical conductor assemblies employing superconductor con ductors |
JP49018118A JPS5041494A (de) | 1973-02-14 | 1974-02-14 |
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DE19732307242 DE2307242C3 (de) | 1973-02-14 | Elektrischer Leiter aus supraleitenden Einzelleitern |
Publications (3)
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DE2307242A1 DE2307242A1 (de) | 1974-08-22 |
DE2307242B2 DE2307242B2 (de) | 1975-12-18 |
DE2307242C3 true DE2307242C3 (de) | 1976-07-29 |
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