DE2310327C3 - Rohrförmiger Phasenleiter eines Drehstromkabels - Google Patents
Rohrförmiger Phasenleiter eines DrehstromkabelsInfo
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Description
Kabelachse angeordnet werden können. Jede Lage der Einzelleiter ist zur Kabelachse derart verdrillt,
daß die Leiter eine Schraubenlinie bilden. Die Steigung der Schraubenlinie kann so gewählt werden,
daß die Länge des Kabels unabhängig von Temperaturschwankungen konstant bleibt. Die Einzelleiter
können mit normalleitenden Materialien, behpielsweise
Kupfer oder Aluminium, so stabilisiert sein, daß sie im Störungsfall, insbesondere im Falle eines
Kurzschlusses, für kurze Zeit den gesamten Strom ohne wesentliche Erwärmung übernehmen können.
Um Wirbelstromverluste im Stabilisierungsmaterial zu vermeiden, bestehen die Einzelleiter im allgemeinen
aus einem normalleitenden Draht, auf dessen Oberfläche das supraleitende Material aufgebracht
isc.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese Drehstromphasenleiter mit konzentrischen,
rohrförmigen Lagen aus nebeneinander angeordneten Einzelleitern zu verbessern, insbesondere die Stabilisierungswirkung
des normalleitenden Querschnitts der Einzelleiter zu erhöhen. Es wurde nämlich erkannt,
daß die Anordnung der Einzelleiter in der gleichen Lage nebeneinander zu einer asymmetrischen
Stromverteilung in dem normalleitenden Trägermaterial der Einzelleiter führen kann. Auf
Grund dieser Asymmetrie wird nur ein Teil des Querschnitts des normalleitenden TrägermateriaiS zur
Stabilisierung ausgenutzt.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder normalleitende Träger der
Einzelleiter in Leiterlängsrichtung in mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte Teile unterteilt ist,
die um ihre Längsrichtung verdrillt sind.
Die mit de- Erfindung erzielten Vorteile bestehen vorzugsweise darin, daß die Jouleschen Verluste pro
Oberfläche des normalleitenden Stabilisierungsmaterials verringert werden. Je geringer sie sind, desto
größer ist der zulässige Überstrom. Durch eine Unterteilung der normalleitenden Träger in Verbindung
mit ihrer Verdrillung kann nämlich eine bessere Ausnutzung des normalleitenden Stabilisierungsmaterials
auf Grund der hierdurch bewirkten symmetrischen Stromverteilung im Stabilisierungsma'erial erreicht
werden. Gegenüber einer entsprechenden Leiteranordnung aus Einzelleitern ohne Unterteilung des
Stabilisierungsmaterials lassen sich hierdurch die Jouleschen Verluste pro Oberfläche um etwa einen
Faktor 2 verringern. Damit ergibt sich eine Erhöhung der Kurzschlußstrombelastbarkcit um etwa einen
Faktor \1.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung können die Einzelleiter aus Aluminiumdrähten
bestehen, die mit einem Überzug aus Niob versehen sind. Hierdurch wird die Kurzschlußstrombelastbarkeit
des Phasenleiters noch weiter erhöht. Mit zunehmender Anzahl der Einzelleiter nehmen
die Jouleschen Verluste pro Oberfläche bei vorgegebenem Phasenleiterdurchmesser zu, weil dann die
Einzelieiterquerschnittsfiächen 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 beispielsweise für Kupfer, da auf Grund des für Aluminium
besseren Restwiderstandsverhältnisses die F.indrinstiefe für dieses Leitermaterial kleiner ist.
Dies hat zur Folge, daß erst bei einer größeren Anzahl
von Einzelleitern die Eindringtiefe den Drahtdurchmesser übersteigt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend
erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen koaxialen Leiter einer Drehstromphase mit den Einzelleitern nach der Erfindung und
F i g. 2 einen Querschnitt durch einen Einzelleiter.
ίο Der in Fig. 1 dargestellte koaxiale Leiter besteht
aus zwei konzentrischen rohrförmigen Lagen 2 und 3, die zur Hin- bzw. Rückleitung einer Drehstromphase
dienen können. Der Abstand der Lage 2 von der Kabelachse ist in der Figur mit Rt, der Abstand der
Lage 3 von der Kabelachse mit Ra bezeichnet. Durch
einen genügenden Abstand zwischen den beiden Lagen kann die gewünschte Hochspannungsfestigkeit
des Phasenieiters erreicht werden. Jede Lage besteht aus einer Vielzahl von Einzelleitern !2 bzw. 13,
deren Aufbau in F i g. 2 dargestellt ist. Die Einzelleiter 12 und 13 haben in den Figuren kreisförmige
Querschnitte und werden vorteilhaft transponiert, d. h., sie werden so in den einzelnen Lagen angeordnet,
dab sie jeweils den gleichen Betrag des Betriebsstromes übernehmen. Darüber hinaus läßt sich eine
Anordnung der Einzelleiter dabei so vornehmen, daß der Gesamtleiter unabhängig von Temperaturänderungen
seine konstante Länge beibehält. Ein entsprechendes Kabel ist beispielsweise in der deutschen
Auslegeschrift 18 14 036 beschrieben.
Die Einzelleiter 12 des Phasenhinleiters können beispielsweise auf dem Außenmantel eines in der
Figur nicht dargestellten hohlzylindrischen, spiralförmigen Kunststoffkörpers angeordnet sein. Um die
Lage 2 dieser Einzelleiter läßt sich zweckmäßig eine elektrische Isolationsschicht aus Kunststoffolien anbringen.
Auf der Außenseite dieser ebenfalls in der Figur nicht dargestellten Isolationsschicht kann
dann die Lage 3 aus den Einzelleitern 13 angeordnet sein. Die Isolationsschicht, die zugleich als mechanischer
Abstandshalter zwischen den beiden Einzelleiterlagen 2 und 3 dient, bestimmt darüber hinaus
die Hochspannungsfestigkeit des Phasenleiters. Eine feste Lage der Einzelleiter 13 kann durch eine Bewehrung
gewährleistet sein. Sowohl der spiralförmige Kunststoffkörper als auch diese Bewehrung werden
vorteilhaft so ausgestaltet, daß sie den freien Zutritt eines Kühlmediums an die Einzelleiter gestatten. Beispielsweise
kann der Kunststoffkörper so ausgebildet sein, daß er in Form einer bandförmigen Kunststoffspirale
eine Schraubenlinie um die Achse des Phasenleiters bildet, wobei die Ganghöhe größer als die
Breite des Spiralbandes ist.
Der Aufbau der Einzelleiter 12 und 13 ist schematisch aus F i g. 2 ersichtlich. Der Träger 4 des Einzelleiters
ist ein normalleitender Draht mit beispielsweise kreisförmigem Querschnitt. Dieser Draht kann
aus Kupfer oder vorteilhaft aus Aluminium bestehen und dient zur Stabilisierung des supraleitenden Materials
S, das in Form einer dünnen Schicht um den normalleitenden Träger 4 in gutem elektrischem Kontakt
angeordnet ist. Der Querschnitt des normalleitenden Trägers 4 ist erfindungsgemäß in drei etwa
gleiche Segmente 6 bis 8 unterteilt, die durch dünne Zonen 9 bis 11 aus Isolationsmatenal elektrisch voneinander
getrennt sind. Jeder Einzelleiter ist mit einer äußeren Isolationsschicht 15 umgeben, die bei einer
engen Aneinanderreihung der Einzelleiter einen elek-
trischen Kontakt der supraleitenden Oberflächen verhindern soll. Diese mantelähnlichen Isolationsschichten
15, die zugleich als Abstandselemente zwischen benachbarten Einzelleitern dienen, können auch so
ausgebildet sein, daß sie eine feste Lage der einlagig angeordneten Einzelleiter untereinander gewährleisten.
Dann ist eine zusätzliche Abstützung der inneren Lage des Phasenleiters durch einen besonderen
Körper nicht erforderlich.
Eine kreisförmige Ausgestaltung des Querschnitts der Einzelleiter 12 und 13 ist nicht erforderlich. Es
kann auch daran gedacht werden, die Einzelleiterquerschnitte, beispielsweise durch einen Preßvorgang,
etwas abzuflachen, so daß sie eine leicht rechteckige Gestalt mit abgerundeten Ecken erhalten.
Eine solche Deformation läßt sich aber nur so weit vornehmen, als die geometrischen Abmessungen der
Querschnitte nicht die Größenordnung der Eindringtiefe (Skineffekt) in das Leitermaterial annehmen.
Ein Phasenleiter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, der einzelne niobüberzogene
Aluminiumdrähte 12 und 13 enthält, kann beispielsweise zur Übertragung eines Betriebsstroms von
104A 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 inneren Hin- und äußeren Rückleiters einer Phase sind /?, = 3 ■ 10 2
bzw. R11 -— 5 · 10 -m. Hieraus ergibt sich für den
Hinleiter ein Scheitelwert des Magnetfeldes Hs — 94,3 mX. Dieser Wert ist jedoch wesentlich
kleiner als der Wert für das untere kritische Feld von
Niob W11(Nb) < 15OmT. Die Jouleschen Verluste
pro Oberfläche sind in einem weiten Bereich nahezu
ίο unabhängig von der Anzahl m der Einzelleiter. Diese
Verluste sind beispielsweise im Bereich 10<O?i<300
annähernd konstant. Sie betragen für den inneren Hinleiter mit m = 100 Aluminiumdrähten mit einem
Restwiderstandsverhältnis von 1000 bei einem Drahtdurchmesser von 2· 10 :l m und dem Betriebsstrom
von 1O+4A etwa 2,5 · 10~:t W/cm-'. Für eine Abschaltzeit
von 200 msec und einer zulässigen Erwärmung des zur Kühlung des supraleitenden Materials
des Leiters erforderlichen Heliumbades um 0,5 K folgt daraus, daß ein Wert des Kurzschlußstromes
zulässig ist, der etwa 22mal größer als der genannte Betriebsstrom ist. Der Vergleichswert für einen Rohrleiter
mit Kupfer als Stabilisierungsmatcrial, der 3 mm Wandstärke und ein Restwiderstandsverhältnis
von etwa 100 besitzt, liegt bei etwa 8.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Rohrförmiger Phasenleiter eines Drehstromkabels mit wenigstens einer Lage nebeneinander d
angeordneter Einzelleiter, die jeweils aus einem nprmalleitenden Träger und einer darauf aufgebrachten
Schicht aus supraleitendem Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Träger (4) der Einzelleiter (12, 13) in Leiterlängsrichtung
in mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte Teile (6 bis 8) unterteilt ist,
die um ihre Längsrichtung verdrillt sind.
2. Rohrförmiger Phasenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (4) aus
Aluminium bestehen, das mit einer Niobschicht (5) überzogen ist.
vermieden wird. Die supraleitenden Schichten werden hierzu vorteilhaft auf Rohie aus nonnalleitenden
Materialien, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, aufgebracht. Diesen normalleitenden Rohren kommt
dabei die Aufgabe zu, den Supraleiter zu stabilisieren. Sie sollen somit nach einem etwaigen Übergang der
Supraleiter vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand, dem sogenannten Quenchen, beispielsweise
im Überlastungsfall, den Kurzschlußstrom übernehmen. Eine Überbemessung der Supraleiter
derart, daß sie den Überlastungsstrom ohne Quenchen selbst ertragen, scheidet unter anderem wegen der
dann erforderlichen großen Außendurchmesser und der hohen Kosten aus.
Entsprechende Leiter für Drehstromkabel sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Ein aus
der »Elektrotechnischen Zeitschrift«, Ausgabe B, Bd. 20 (1968), S. 273 bis 277, bekanntes Drehstrom-
kabel sieht für jede Phase mindestens ein koaxiales
Leiterpaar vor. Ein rohrförmiger Innenleiter, der z.B. zur Phasenhinleitung dient, ist dabei in einem vorbestimmten
Abstand von einem zur Phasenrückleitung
Die Erfindung bezieht sich auf einen rohrförmigen dienenden rohrförmigen Außenleiter konzentrisch
Phasenleiter eines Drehstromkabels mit wenigstens umschlossen. Eine vollständige Fe'dkompensation
*iner Lage nebeneinander angeordneter Einzelleiter, 25 außerhalb des Leitersystems erreicht man dadurch,
die jeweils aus einem normalleitenden Träger und daß die Rückleiter der drei Drehstromphasen am
einer darauf aufgebrachten Schicht aus supraleiten- Kabelanfang miteinander verbunden sind. Ferner
dem Material bestehen. sind in dieser Anordnung die Leiter kräftefrei, und
Die technologische Entwicklung der supraleiten- die Stromverteilung sowie die Feldverteilung an den
den Materialien sowie der Tieftemperaturtechnik er- 3° Leiteroberflächen sind homogen. Man erhält somit
lauben die Übertragung höchster Leistungen mit geringe Wechselstromverluste des Supraleiters. Da
bei einer solchen koaxialen Anordnung der einzelnen Leiterpaare die elektrischen und magnetischen Felder
nur zwischen den Außen- und Innenleitern auftreten, können innerhalb des Innenleiters und außerhalb des
Außenleiters Normalleiter beliebiger Menge und Leitfähigkeit angeordnet werden, ohne daß in ihnen Wirbelstromverluste
entstehen. Damit ist es möglich, diese Supraleiter so zu stabilisieren, daß nach einem
sächlich zur Übertragung höchster Leistungen, bei- 4° Übergang des Supraleiters in den normalleitenden
spielsweise bis 100 GW, über große Entfernungen in Zustand ein gut gekühltes normalleitendes Stabilisie-Betracht
gezogen werden, wobei sogenannte harte rungsmaterial zur Verfügung steht. s einen Kurz-Supraleiter
wie Niob-Titan oder Niob-Zinn zur An- schlußstrom vorübergehend ohne nennenswerte Temwendung
kommen dürften. Dagegen sind supra- peratursteigerung übernehmen kann. Die elektrische
leitende Drehstromkabel wegen ihrer höheren Be- 45 stabilisierende Wirkung des normalleitenden Matetriebskosten
pro Kilometer im Vergleich zu den rials ist jedoch bei einer solchen Anordnung auf
Gleichstromkabcln in erster Linie zur Energieüber- Grund der rohrförmigen Ausbildung der Phasenleiter
tragung über kürzere Entfernungen, je nach Leistung durch den SkineRekt beschränkt. Darüber hinaus
und Spannung bis etwa 100 km, geeignet. Ihr Einsatz muß die Längenkompensation beim Abkühlen des
erscheint besonders vorteilhaft zur Einspeisung mitt- 50 Kabels über Wellkörper erfolgen. Diese Kabelanordlerer
bis hoher Leistungen, beispielsweise von 1 bis nung läßt sich somit im Gelände nur schwierig ver-10
GW, aus bestehenden Wechselstromhochspan- legen.
nungsnetzen in die Ballungszentren des Energiever- Werden diese koaxialen, hohlzylindrischen Rohre
brauchs, z. B. die Städte. der einzelnen Phasenleiter durch einzelne in Leiter-
Ais Materialien im Hinblick auf die auftretenden 55 längsrichtung nebeneinander angeordnete Drähte er-WechselstromveiUiite
werden zweckmäßig söge- setzt, so erhält man einen flexiblen Leiter. Eine dernannte
weiche Supraleiter wie beispielsweise Niob artige Ausführungsform eines Tieftemperaturkabels
und in geringerem Maße auch Blei verwendet. Die ist von Wilkinson in »PROC. IEE«, Vol.113,
Wcchselstroinvcrluste lassen sich im Niob gering Nr. 9, September 1966, S. 1509 bis 1521, beschriehalten,
wenn die an der Lederoberfläche auftretende 60 ben. Bei diesem bekannten Kabel ist der Abstand
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 Wechseistromverlustc auftreten, dagegen müßten Gleichrichtersysteme für
höchste Leistungen entwickelt und eingesetzt werden. Deshalb dürften solche Gleichstromkabel hauptmagnetische
Feldstärke unter der kritischen Feldstärke Ilc , bleibt, die für Niob bei 4,2 K etwa
!,1 · 105Am beträgt. Der Strom fließt dann nur in
einer Bruchteile von um dicken Oberflächenschicht,
der einzelnen Aluminium- oder Berylliumdrähte in einer sogenannten transponierten Anordnung innerhalb
der beiden koaxialen Lagen so gewählt, daß jeder der Drähte einen gleichmäßigen Betrag des
so daß man mit sehr geringen supraleitenden Schicht- 65 Stromes übernimmt,
dicken auskommen kann. Als Leiterformen kommen Aus der deutschen Auslegeschrift 18 14 036 ist
zylindrische oder hohlzylindrische Ausführungen in ferner bekannt, daß bei einem Ticftemperaturkabel
nptracht. damit eine ungleichmäßige Stromverteilung mehrere Einzelleiter in mehreren Lagen um die
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