DE2310327C3 - Rohrförmiger Phasenleiter eines Drehstromkabels - Google Patents

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 R_t, der Abstand der Lage 3 von der Kabelachse mit R_a 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 H_s — 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)

Patentansprüche:

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 Il_c , 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