DE69504928T2

DE69504928T2 - Supraleitende elektrische Verbindung

Info

Publication number: DE69504928T2
Application number: DE69504928T
Authority: DE
Inventors: Peter Friedrich Corbreuse F-91410 Dourdan Herrman; Pierre F-91140 Villebon Mirebeau; Thierry F-91160 Saulx-Les-Chartreux Verhaege
Original assignee: Alcatel Alsthom Compagnie Generale dElectricite
Current assignee: Nexans SA
Priority date: 1994-08-04
Filing date: 1995-08-01
Publication date: 1999-03-04
Anticipated expiration: 2015-08-02
Also published as: JP3623823B2; EP0696081A1; FR2723467A1; DE69504928D1; JPH08190819A; CA2155401A1; EP0696081B1; CA2155401C; ES2124981T3; US5859386A; FR2723467B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende elektrische Verbindung, die es ermöglicht, eine Doppelfunktion des Stromtransportes und der Strombegrenzung zu gewährleisten.
Die Erfindung wird insbesondere, aber nicht ausschließlich in Anlagen zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt, bei denen ein Mittelspannungsgenerator (von z. B. 20 kV) über eine Verbindung von einigen 100 Metern mit einer Mittelspannungs- Hochspannungs-Transformatorstation (z. B. 20 kV / 400 kV) verbunden ist. Der Strom, der die Verbindung durchläuft, ist sehr hoch (z. B. in der Größenordnung von 20 kA); es werden im allgemeinen Leiter von großem Querschnitt (Durchmesser: 500 mm) verwendet, die durch ein Fluid (im allgemeinen Luft) gekühlt werden, das in einer Metall-Leitung von großem Durchmesser (typischerweise 1 m) zirkuliert. Die Verluste in einer solchen Verbindung liegen in der Größenordnung von 3000 kW/km/GW).
Es wurde in Betracht gezogen, diese Verbindung mit Supraleitern mit niedriger kritischer Temperatur zu realisieren, die es erlauben, sehr hohe Stromdichten bei sehr geringen Verlusten zu transportieren. Diese Art von Verbindung erfordert umfangreiche und komplexe Kälteanlagen aufgrund der aufrechtzuerhaltenden niedrigen Temperatur, die nah bei der Verflüssigungstemperatur von Helium (4,2 K) liegt. Außerdem ist eine aufwendige und damit kostspielige Isolierung notwendig, um die Kälteverluste auf ein akzeptables Maß zu begrenzen. Dies ist der Grund, weswegen bislang solche Verbindungen nicht existieren.
Das Aufkommen von supraleitfähigen Keramikmaterialien mit hoher kritischer Temperatur, z. B. oberhalb der des flüssigen Stickstoffs, erlaubt es, unter wirtschaftlichen sowie technischen Gesichtspunkten günstige Lösungen zu erwägen.
Außerdem wurde die Anwendung von Supraleitern für die Begrenzung der Kurzschlußströme untersucht. Hierfür wird die Eigenschaft des supraleitenden Materials ausgenutzt, daß es oberhalb eines kritischen Stromwertes von einem supraleitenden Zustand, wo sein Widerstand quasi null ist, in einen sogenannten normalen Zustand übergeht, wo sein Widerstand sehr hoch wird. So ist es möglich, den Wert eines Kurzschlußstromes auf einen gegebenen Wert, z. B. das Fünffache des Nennstromes zu begrenzen, wohingegen er ohne diese Begrenzung z. B. das Zwanzigfache des Nennstromes erreichen könnte. Diese Begrenzung ermöglicht es, alle Schädigungen zu vermeiden, die durch den Kurzschlußstrom verursacht werden könnten, und ermöglicht infolgedessen einen erheblichen Gewinn bei der Dimensionierung der Leitungen, der Generatoren, der Transformatoren und der Unterbrecher.
Der Strombegrenzer wird üblicherweise als ein Zusatzgerät angesehen, das an der zu schützenden Leitung in Reihe installiert werden muß.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine supraleitende Verbindung zu realisieren, die beide Funktionen, die des Stromtransportes und des Strombegrenzers, übernimmt und deren Vorteile und Leistungseigenschaften hat.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine elektrische Verbindung für den Transport des Stromes und dessen Begrenzung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Mehrzahl von rohrförmigen Abschnitten aus supraleitendem Material mit hoher kritischer Temperatur umfaßt, die Ende an Ende durch flexible Übergänge aus Metall oder Legierung mit guter Leitfähigkeit verbunden sind, wobei ein von einem Kältefluid durchströmtes erstes Rohr sich innerhalb der rohrförmigen Abschnitte und der flexiblen Übergänge erstreckt, und ein zweites Rohr, in dem Vakuum herrscht, sich um die rohrförmigen Abschnitte herum erstreckt.
Andere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung. Es zeigen:
- Fig. 1 eine Ansicht einer Phase einer erfindungsgemäßen Verbindung im axialen Schnitt,
- Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel eines Übergangs zwischen zwei rohrförmigen supraleitenden Abschnitten zeigt.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Phase einer erfindungsgemäßen Verbindung; eine dreiphasige Verbindung umfaßt drei identische einphasige Verbindungen, die in einer Lage oder als Trieder angeordnet sind.
Die einphasige Verbindung der Fig. 1 umfaßt eine Mehrzahl von rohrförmigen Abschnitten 1 aus supraleitendem Material mit hoher kritischer Temperatur, z. B. aus Keramik mit der Formel Bi2Sr2CoCu2O8; die Abschnitte haben z. B. eine Länge im Bereich von 10 m.
Die Abschnitte sind Ende an Ende angeordnet und paarweise durch einen flexiblen metallischen Übergang 2 verbunden, der vorzugsweise aus Kupfer oder einer Legierung mit guter elektrischer Leitfähigkeit hergestellt ist. Die Flexibilität der Übergänge erlaubt es, der Verbindung bei Bedarf eine gekrümmte Form zu geben.
Die Kühlung der rohrförmigen supraleitenden Abschnitte wird sichergestellt durch ein Kältefluid, das in einem innerhalb der rohrförmigen Abschnitte 1 angeordneten Rohr 3 zirkuliert; die Zirkulation ist in Fig. 1 symbolisch dargestellt durch den Pfeil 4; das Kältefluid ist flüssiger Stickstoff bei atmosphärischem Druck, dessen Temperatur zwischen 65 und 77 K liegt.
Die elektrische Isolierung ist sichergestellt durch das Vakuum, das im Inneren eines Metallrohres 5, z. B. aus Stahl, erzeugt ist, das die Gesamtheit der rohrförmigen supraleitenden Abschnitte 1 umgibt. Das Rohr wird an den Enden durch Isolatoren 6 gehalten; es können nicht dargestellte Zwischenisolatoren vorgesehen sein.
Das Vakuum wird erzeugt mit Hilfe einer Pumpgruppe 7.
Von Ort zu Ort ist das Innere des Rohres 3 mit der Umgebung durch Leitungen 8 verbunden, die mit Einwegventilen wie etwa 9 versehen sind, um die Abführung von gasförmigem Stickstoff sicherzustellen, der aus der Verdampfung des flüssigen Stickstoffs entsteht, die bei einem Übergang der supraleitenden Abschnitte in den Normalzustand entsteht, z. B. im Fall eines Kurzschlusses.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes der Fig. 1, die insbesondere die Ausgestaltung der Übergänge zwischen supraleitenden Abschnitten zeigt.
Ein Übergang ist typischerweise gebildet durch einen Kupferring 21, der einerseits mit einem der zu verbindenden supraleitenden Abschnitte, dem Abschnitt 1A in Fig. 2, und andererseits mit einem ersten Ende einer Metall-Litze 22 verschweißt ist, die sich mit ihrem zweiten Ende auf den zweiten zu verbindenden supraleitenden Abschnitt stützt. Die Nachgiebigkeit der Litze 22 gibt dem Übergang die Flexibilität, die notwendig ist, um die notwendigen Krümmungen der Verbindung ausbilden zu können. Die Litze stellt außerdem durch Gleiten am Ende der supraleitenden rohrförmigen Abschnitte die Kompensation der unterschiedlichen Ausdehnungsvorgänge sicher, die z. B. beim Abkühlen der Verbindung auftreten.
Das Kühlrohr 3 ist vorzugsweise gewellt ausgebildet, was ihm eine gewisse Flexibilität verleiht. Der Raum zwischen dem Rohr 3 und den rohrförmigen Elementen 1 ist mit einem Füllmaterial 11 gefüllt, das einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Rohr 3' und den supraleitenden rohrfömigen Elementen gewährleistet; ein solches Material ist z. B. ein Epoxi- oder Polyurethanharz oder vorzugsweise Polyamid 6 (LUTRAMID B4 von BASF).
Es wird nun ein Anwendungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es handelt sich um eine dreiphasige Verbindung von 1 GW mit einer Länge von 400 m, die vorgesehen ist, um nominell 28 kA unter einer einfachen Spannung von 20 kV zu übertragen.
Jede Phasenverbindung besitzt die oben beschriebenen Elemente, nämlich einen supraleitenden Leiter, ein Kühlrohr und ein Isolationsrohr. Die nachfolgenden Daten betreffen eine Phasenverbindung.
Die Phasenverbindung ist gebildet aus 40 rohrförmigen Abschnitten aus Bi2Sr2CoCu2O8-Keramik mit jeweils einem Durchmesser von 200 mm und einer Länge von 10 m. Die zulässige Stromdichte im supraleitenden Betrieb ist 100 A/mm².
Der Innendurchmesser des Kühlrohres aus Kupfer liegt in der Größenordnung von 100 mm und seine Dicke ist 4 mm. Der im Normalbetrieb verwendete flüssige Stickstoff ist unterkühlter Stickstoff, der an einem Ende der Phasenverbindung mit 65 K eingespritzt und am anderen Ende mit 75 K aufgefangen wird. Der Durchsatz liegt in der Nähe von 1,8 kg/s.
Das äußere Rohr aus Stahl hat einen Außendurchmesser in der Größenordnung von 750 mm und eine Dicke in der Größenordnung von 5 mm; das Vakuum wird in der Nähe von 1 Torr gehalten. Die Arbeitsweise der Verbindung hat folgende Merkmale:
- unter Normalbetrieb Die Verluste der dreiphasigen Verbindung liegen im Größenordnungsbereich von insgesamt 100 kW, was die Ohmschen Verluste durch den Leiter und durch die Übergänge sowie die thermischen Verluste umfaßt. Die Kältemaschine, die die Verluste abfangen muß, braucht ca. 1 MW elektrische Leistung. Dies stellt 1 der über die Verbindung übertragenen Leistung dar. Dies ist in Beziehung zu setzen mit dem Wert von 1,2 , der das entsprechende Verhältnis bei einer herkömmlichen Verbindung von 400 m Länge wäre.
- unter Begrenzerbetrieb Die Verbindung ist dimensioniert, damit die Strombegrenzung bei einem Wert vom Fünffachen der Nennstromstärke In, also 5 In = 140 kA erfolgt.
Die Rechnung zeigt, daß die Temperatur des Supraleiters bis auf ca. 130 K ansteigt, was akzeptabel ist, und daß unter diesen Bedingungen in jeder Phase ca. 100 kg oder 125 l Stickstoff verdampft werden, also ungefähr 100 m³ Dampf erzeugt werden. Dies entspricht nur einem geringen Bruchteil der gesamten in dem Verbindungsrohr enthaltenen Stickstoffmenge, so daß das System bei der Temperatur von 77 K kalt bleibt und schnell in Funktionszustand gebracht werden kann.

Claims

1. Supraleitende elektrische Verbindung für den Transport des Stroms und seine Begrenzung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mehrzahl von rohrförmigen Abschnitten (1) aus supraleitendem Material mit hoher kritischer Temperatur umfaßt, die Ende an Ende durch flexible Übergänge (2) aus einem Metall oder einer Legierung mit guter Leitfähigkeit verbunden sind, wobei ein von einem Kühlfluid durchströmtes erstes Rohr (3) sich im Innern der rohrförmigen Abschnitte (1) und der flexiblen Übergänge (2) erstreckt und ein zweites Rohr (5), in dem Vakuum herrscht, sich um die rohrförmigen Abschnitte (1) erstreckt.

2. Elektrische Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Übergänge (2) einen mit einer Litze (22) fest verbundenen Ring (21) umfassen.

3. Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Füllmaterial (11) zwischen den supraleitenden rohrförmigen Abschnitten (1) und dem ersten Rohr (3) angeordnet ist.

4. Elektrische Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (11) aus der Familie der Polyamide, Epoxiharze und Polyurethan ausgewählt ist.

5. Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohr (3) gewellt ist, um ihm eine gewisse Flexibilität zu verschaffen.

6. Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohr (3) mit der Umgebung durch Verbindungen (8) kommuniziert, die mit Einwegventilen (9) versehen sind.

7. Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Rohr (5) mit wenigstens einem Pumporgan (7) verbunden ist.

8. Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der rohrförmigen supraleitenden Abschnitte eine Keramik vom Typ Bi2Sr2CoCu2O8 ist.

9. Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid Stickstoff bei einer Temperatur zwischen 65 und 77 K ist.