DE1665721A1 - Supraleitendes Starkstromkabel - Google Patents

Description

SIEMENS-S CHUGKERTWERKE Aktiengesellschaft

_Λ \im.m

Erlangen, den
Werner-von-Slemena-Str.

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Supraleitendes Starkstromkabel

An ein supraleitendes Kabel, das Bestandteil eines Starkstromnetzes ist, werden mehrere Anforderungen gestellt, die in ihrer ßesantheit nur schwer zu erfüllen sind. Das Kabel eoll bei den bfetriebartäfligen Änderungen des Belastungsstromes supraleitend bleiben. Beim Anschalten des Kabels an die Stromspeisestelle und int Fälle eines

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vorübergehenden Kurzschlusses bildet sich eine Über das Kabel hinweglaufende Stoßwelle aus. Diese versetzt das Kabel in den normalleitenden Zustand. Nach dem Abklingen der Stoßwelle soll das Kabel selbst bei Hennbelastung wieder in den supraleitenden Zustand übergeführt werden können.

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Kabel für große Stromstärken mit einem in mehrere Teilleiter unterteilten Supraleiter, 'zu dem

»wenigstens ein Stabili3ierungsleiter aus normalleitendem Material parallel geführt ist, wobei der Gesamtquerschnitt der Stabilisierungsleiter ein Vielfaches des Gesamtquerschnittes des Supraleiters beträgt.

Ein Kabel dieser Art erfüllt die eingangs genannten Forderungen, wenn die Teilleiter verdrillt oder gtpflochten sind und der Querwiderstand zwischen den Teilleitern so groß ist» dafl fUr «ine halbe Yerdrillungälänge der Querstrom zwischen den Teilleitern, der durch i» normalen Betriebsfall auftretende Stromschwankungen verareacht wird, klein P gegenüber diesen Stromschwankungen ist.

Es werden zunächst die der Erfindung zugrundeliegenden allgemeinen j Überlegungen anhand eines Gleichstromkabels, das Belastungäschwankungen ausgesetzt ist, erläutert. Ähnliche Überlegungen gelten für ein Kabel, das'einem pulsierenden Gleichstrom oder einem Wechselstrom ausgesetzt ist. In jedem Fall handelt es sich um die Überlagerung

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einen Gleich- und eines Wechselstromes. Im ersten Fall sind beide Anteile in ungleicher Größe vorhanden, i* «weiten Fall eind beide Anteile gleich groß und ia dritten Fall ist der Gleichstroaanteil gleich Hull.

Bei einem bereite vorgeschlagenen supraleitenden Oleichatroekatel Bind für die Hin- und Rückführung auf Trägerrohren aufgebrachte Supraleiterschichten vorgesehen. Die Trägerrohre sind nebeneinander angeordnet. Bei Stromänderungen drängt sich der Stroe an den Stellen Kleinster Induktivität zusammen, so daß hier die kritische Straft- M dichte überschritten wird und Normalleitung eintritt. Sa entstehen Verluste. Die Verluste können vermieden oder zumindest weitgehend reduziert werden, wenn eine Stroeverdrängung bei Stromänderungen vernindert wird. Dies kann durch eine Unterteilung der Supraleiter la TeiHeiter geschehen. Bei starken Stromänderungen, 2. B. bei» Binschalten oder im Kurzschlußfall dea Kabele, läßt sich eint Translation des Supraleiters mit wirtschaftlichen Aufwand nicht verhindern. Da*it die Erwärmung des Supraleiters in diese« Fall nicht au grot wird, muß ein verlustarmer Parallelweg für den ßtroe vorgesehen werden. Dies geschieht dadurch, daß zu den Teilleitern ein Stabilisierungsleiter * aup normalleitendem Material parallel geführt wird. Wird für Mehrere Teilleiter ein gemeinsamer Stabilisierungsleiter vorgesehen - dies lat aus konstruktiven Gründen oft erwünscht - so auß dafür gesorgt werdet»,, daß hierdurch die Teilleiter nicht völlig kurzgeschlossen werden und damit der durch die Unterteilung des Supraleiters trstrebt« Effekt wieder aufgehoben wird. Der Querschnitt und die Kühlfläche «te Stabilisierungsleiters sollen ao groß sein, daß trotz der Erwärmung aufgrund einer Einschaltet oßw'elle, selbst bei Rennlast, der supralleitende Zustand nach dem Abklingen der Stoßwelle wieder herbei-

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geführt werden kann.

Wird jedem supraleitenden Teilleiter ein eigener Normalleiter zugeordnet, z. B. durch Umhüllung des Supraleiters mittels nomalleitenden Materials, dann kann man Querströme dadurch verhindern, daß man die Leiterpaare (Supraleiter + Stabilisierungsleiter) gegeneinander ifioliert.' In diesem Fall tritt jedoch ein weiteres Problem auf. Aufgrund unterschiedlicher Induktivitäten der Teilleiter können zwischen ihnen größere Spannungsunterschiede entstehen. Da die elektrische Isolation wegen der damit verbundenen zwangsläufigen Verschlechterung der thermischen Leitfähigkeit «wischen dem Kühlmedium und den Supraleitern nicht unbegrenzt verstärkt werden kann, muß man dafür sorgen, daß die Spannungsunterschiede zwischen den Teilleitern klein bleiben. Dies ist möglich, wenn auf einer Strecke, die wesentlich kürzer als die Wellenfront der Einschaltwelle ist, jeder Teilleiter die gleiche Lage in Bezug auf die anderen Teilleiter und damit die gleiche induktivität hat. Man erreicht diee durch Verdrillen oder Flechten der Teilleiter, wobei die Verdrillungslänge oder beim Flechten ein vollständiges Vertauschungsprogramm der Teilleiter

wesentlich kleiner sein muß,als die Einochaltwellenfront.

Bringt man die Teilleiter auf ein metallisches Trägerrohr auf, so besteht hier das Problem, daß die fortlaufende Einschaltwelle im Trirerrohr anders gedämpft wird, als in den Teilleitern. Auch hierdurch entstehen Spannungsunterschiede, die gegebenenfalls durch eine entsprechend starke elektrische Isolation aufgenommen Werden müssen· Man kann hier auch durch eine Halbleiterechicht oder eine Schicht einer schlecht leitenden Metallegierung swiirefcen dem Taragerrohr und

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den Teilleitern das Entstehen eines zu großen Spannungsunterschiedes verhindern. Hierbei ist darauf zu achten, daß der Querwiderstand zwischen den Teilleitern nicht zu klein wird. Er muß so groß sein, daß der Querstrom zwischen' den Teilleitern über eine halbe Verdrillung3-länge, der durch im normalen'Betriebsfall auftretende Stromschwankungen verursacht wird, klein gegenüber diesen Stromschwankungen bleibt. Es darf also im normalen Betriebsfall nur ein geringer Anteil der Ströme von einem Teilleiter zum anderen Überwechseln.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand yon acht Figuren näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 ein supraleitendes Starkstromkabel, bei dem die Binzelleiter jeweils von einem Normalleiter umhüllt und dieser von einer Halbleiterhülle umgeben iat,

Figur 2 ein supraleitendes Starkstromkabel, bei dem auf Trägerrohre aus elektrisch gut leitendem Material je eine Halbleiterschicht und hierauf Teilleiter aufgebracht sind,

Figur 5 ein supraleitendes Starkstromkabel mit zwei halbkreisringförmigen Trägerrohren und Teilleitern in For» von Röbel«· stäben, .

Figur 4 den Aufbau eines Röbelstabes,

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Figur 5 ein supraleitendes Starkstromkabel der gleichen Art wie bei Figur 3, bei dem die Supraleiter von Halbleitermaterial umhüllt sind,

Figur 6 ein supraleitendes Starkstromkabel, bei den die Teilleiter innerhalb eines weHrohrartigen Dichtungsrohrea angebracht sind,

Figur 7 ein supraleitendes Starkstromkabel der gleichen Art wie bei Figur 3 mit gegenseitig völlig Isolierten Teilleitern und

Figur 8 ein supraleitendes Starkstromkabel der gleichen Art wie bei

Figur 1, wobei jedoch hier die Teilleiter gegenseitig isoliert sind.

Das in Figur 1 dargestellte Oleiohstromkabel enthält zwei Trägerrohre 1 für Supraleiter aus Metall oder Kunststoff» in deren Hohlräumen 2 sich flüssiges Helium als Kühlmedium befindet. Auf den Trägerrohren sind die in Teilleiter 3 unterteilten Supraleiter angeordnet. Die Unterteilung ist hierbei so gewählt, dafl bei Stromänderungen, wie sie im normalen Betrieb zu erwarten sind, keine Traneition eintritt. Wie bereits erwähnt, veruräacht jede Stromverdrängung Verluste, die durch das Kühlmittel abgeführt werden müssen. Je größer die Unterteilung ist, d. h. je kleiner der Querschnitt der Teilleiter ist, desto kleiner ist auch die Stromverdrängung· Sie Teilleiter 3 sind, wie Figur 1 erkennen läßt, einlagig UM das Trägerrohr 1 angeordnet. Sie verlaufen jedoch nicht axial zum Trägerrohr, sondern sind wendel-

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ί Γΐτ.ίΛ -irr. dienes gewunJon. Die Verdrillungelänge ist hierbei βο rowihit, daß Hie kleiner als die Wellenfront der Einschaltwelle ist. Hieri-.r-u wird erreicht, dad auf diese Länge bezogen, die Induktivität .'odor; Teilleiters in Bezug auf die anderen gleichgroß iat. Dies ist :n«i.'i l MötiK, weil Bonat durch die Einschaltwelle aufgrund unter- ;vh:<. il; ?her Induktivitäten der Teilleiter zu große Spannungedi ff erenzt.:: v,:'* ret ei: würden. Die Xiilleiter sind bei dem Ausführungßbeiapiel n.'iv-i. :*"i/-ur * v.,n Kormalleitern 4 umhUllt. Hierdurch wird für die A\iv<:.··: :\ire Pelaotung durch die Einschaltwelle bzw. durch die Stoö- ( welle im Kurzashluflfall, wenn die kritisahe etroüdieht· ttberrohrifen wird und der Supraleiter in den normalleitenden Zustand itergefihrt wird, ein Parallelweg geschaffen, durch den di· Verluste im r*nr:nalleitenden Zustand gering gehalten werden können. Der normal leitende Parallelpfad ist so EU di**neionieren und eu kühlen, iau r.ach dem Abklingen der Stoßwelle trote der ohmechen Verluste des Nennütrones in larallelpfad der Supraleiter in kurzer Zeit unter die ο ο r\iVu' tempera tür abgekühlt wird. Auf die Hüllen aus noraalle it end en I.'.n*.er;rü 4t *üe jeden Teilleiter umgeben, ist noch jeweils ein Ütorr.Uf- ν au;- hallieitendem Material aufgebracht. Durch diesen " .voraer. iie trrtz Verdrillung noch auftretenden Restspannungen, die .-:^:. ;v,vipchen den Teilleitern bei der linschaltwelle ausbilden -lic Vrriri-lur.rnlinne kann nicht beliebig klein gemacht werden -i .!!,:ο.·: i 'her.. 2ie Teilleiter werden in ihrer Lage durch eine aufgepreßte Kunststoffhülle 6, s. B. aue Polyäthylen, die zugleich als elektrische !relation dient, gehalten. Damit sich diese auf der Au-·«?:.;'ei te nicht elektrisch aufladen kann, ist hierauf eine leitende Sei.loht ~ aufgebracht, die »it der entpsrechenden Schicht des rechten

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IsolierstoffÜberzuges verbunden ist und geerdet werden kann. Zwei Gebilde der bisher beschriebenen Art sind als Hin- und Rückführung in einem rohrförmigen Kryostaten untergebracht, der aus drei konzentrisch angeordneten Metallrohren 8, 9 und 10, sowie einem äußeren Schutzrohr 11 besteht. Der Innenraum 12 des Metallrohres 8 ist evakuiert und mit Superisolation ausgefüllt. Der hohlrohrförmige Zwischenraum 13 zwischen den Metallrohren 8 und 9. dient als Flüssigkeitskanal für ein Kühlmittel höheren Temperaturpotentialsj vorzugsweise wird hier flüssiger Stickstoff verwendet. Der Zwischenraum 14 zwischen den Metallrohren 9 und 10 ist evakuiert und wirkt als wärmeisolierender Mantel*

Das supraleitende Gleichstromkabel nach Figur 2 besitzt im wesentiichten den gleichen Aufbau wie das Kabel nach Figur 1.Bs Bind für entsprechende Teile die gleichen Bezugs zeichen verwendet. Als zu den Teilleitern 3 parallel liegender Normalleiter dient hier ausschließlich das Trägerrohr f. Ea besteht deshalb aus elektrisch gut leitendem Material. Damit durch das Trägerrohr kein Kurzschluß benachbarter Teilleiter bewirkt und damit der Effekt der Unterteilung des · Supraleiters aufgehoben wird, sind die Teilleiter nicht unmittelbar auf das Trägerrohr gebracht, sondern unter ZwischenfUgen einer halb* leitenden Schicht 15» · ^.

Die halbleitende Schicht ist hierbei eo beatesen, daß .■ie einerseits einen ausreichenden Stromtibergang zum Trägerrohr ie Falle 4«r' Transition zuläßt, andererseits jtäöch v«rhind»rt, daft Ml d in tint »ir -normalen Betriebsverhältnieeen zu erwartenden pelaetubgiBänderungen '.

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ein Stromübergang zwischen den Teilleitern auftritt, dtp mehr als ein Zehntel des Nennstromes beträgt.

Das Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 3 unterscheidet sieh von de» Ausführungsbeispiel nach Figur 2 im wesentlichen dadurch, dad trägerrohre 16 mit halbkreisringförmige» Querschnitt vorgesehen sind und die Teilleiter 17 in Form von Höbelstäben, d, h. von Stäben, die durch wendeiförmiges Aufwickeln mehrerer parallel verlaufender bandförmiger Teilleiter auf ein Tragband 18 entstehen (vergl. Figur 4)» an den flachen Seiten der Trägerrohre angebracht sind« Auch hler dienen die Trägerrohre als Normalleiter; und es sind halbleitende Schichten 19 zwischen den Teilleitern und den Trägerrohren vorgesehen»

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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 sind die halbieitenden Schichten in Form von Hüllen 20 um.die Teilleiter angebracht.

In Figur 6 ist in zwei zueinander senkrechten Ansichten eine Hälfte eines supraleitenden Gleichstromkabels dargestellt, bei dent das Trägerrohr durch ein wendelformigea elastisches Band aus Isolationsmaterial gebildet ist und die Supraleiter von einem Wellenrohr umgeben sind. Auf ein^m elastischen Zylinder 21, der durch ein Wendel aus isoliertem Stählband gebildet ist* befinden sich die Teilleiter 22, die hier als supraleitende Bänder ausgebildet sind. Mit diesen fest verbunden sind normalleitende Bänder 23 aus Aluminium. Die Zweischichtbänder 22/23 sind von einer Halbleiterechicht 24 umgeben und so auf den inneren Zylinder 21 gewickelt, daß die Verdrillungelänge kleiner als die Einschaltwellenfront Ist, Ue das ZweiSchichtband 22/23

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sind wendelförmig mehrere Distenzbänder 25 gewickelt, die einen elastischen Kontakt zwischen dem Zweischichtband und dem Wellrohr 26 verhindern. Das Wellrohr 26 dient zur"Abdichtung und ist von einem elektrischen Isolierrohr 6 umgeben.

Bei den bisherigen Ausführungebeispielen bestand eine halbleitende Verbindung zwischen den Teilleitern. Diese war zum Teil dadurch bedingt, daß das Trägerrohr als lormalleiter verwendet würde. Zum Teil diente sie auch dazu, üb 41· trotz Verdrillung bei der Einachaltwelle auftretenden Spannungsunterachiede zwischen den Teilleitern und zwischen den Teilleitern und einem metallischen Trägerrohr zu begrenzen. Bei genügend kleiner Verdrlllungslänge sag es möglich sein, diese Spannungsunterachiede durch eine elektrische Isolation aufzunehmen, die trotzdem noch einen ausreichenden Wärmeübergang sicherstellt. Dieser Fall ist bei den AuefUhrungsbeispielen nach Figur 7 und θ dargestellt· Figur 7 entspricht konstruktiv der Ausfuhrungsform nach Figur 3 und läßt den vollständigen Einbau der Rubelstäbe in der elektrischen Isolation erkennen* Desgleichen befinden sich bei dem Beispiel naoh Figur 8 mit einem normalleitenden Überzug 4 versehene Teillelter 3 völlig i«^! Isoliermaterial 6 und sind bei einem Trägerrohr 1 aus elektrischem Isolationsmaterial auch durch dieses nicht galvanisch miteinander verbunden.

10 Patentanspruch^ 8 Figuren

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   '. Supraleitendes Kabel fur große Strorastiirken mit· einem in mehrere Te: Heiter unterteilen Supraleiter, zu dem wenigs-tens ein StabilisieruK/jaleiter aus normalleitendem Material parallel geführt ist, woVei der Oesanitquerschnitt der Stabilisierungaleiter ein Vielfache» des Sesamtquersehnittes des Supraleiters beträgt, dadurch f-tfkennzeichnet, daß die Teilleiter verdrillt oder geflochten sind ^viu I ier ,uerwiderstand zwischen den Teilleitern so groß ist, daß Γ-Jr eine halbe Verärillungeiönge der Querstrom zwischen den Teil-.•?.tern, der durch im normalen Betriebsfall auftretende Strom- ^en verursacht wird, klein gegenüber diesen Stroaist.

   .'. oupraleitendes Kabel nach.Anspruch: 1» dadurch gekenneeicshneti da0 jedem TeilIelter ein Stablliöieimngeleitör zugeordnet let und dLe Leiterpaare von einer dünnen Isolationsschicht «agelien sind*.

   3. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß federn Teillelter ein StabiXieierungitleitei? zugeordnet ist md zwischen den Leiterpaarfen HÄlbleiteischichten vorgesehen sind·

   4. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1* dadurch gekennaeiehnet, daß mehreren Teilleitern ein StabiliaiearongaXeitej* augeordnet ist, alt dem die Teilleiter durch H&lbleiteraehiohten verbunden sind»

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   5. Supraleitendes Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4# dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrillungslänge bzw. bei einem geflachte· neu Supraleiter die Länge für ein völliges Vertauschungsprogramm kleiner als die Einschaltwellenfront ist.

   6. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tr^;igerrohr aus elektrisch gut leitendem Material besteht und auf dieses eine Halbleiterschicht (15) und hierauf distanziert voneinander die Teilleiter aufgebracht sind (Figur 2).

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   7. Supraleitendes Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellrohr (26) vorgesehen ist, innerhalb dessen auf ein wendeiförmiges isoliertes Stahlband (21) die Teilleiter (22) aufgebracht sind. (Figur 6)

   8. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilleiter bandförmig ausgebildet sind und auf das supraleitende Band ein normalleitendes Band (23), vorzugsweise aus Aluminium, aufgebracht ist (Figur 6)

   9. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekenn-

   * zeichnet, daß bei nebeneinanderliegenden Trägerrohpen (iß) mit halbkreisringförmigem Querschnitt die Teilleiter in Form von Höbelstäben, d. h. in Form von Stäben, die durch wendeiförmiges Aufwickeln mehrerer parallel verlaufender Teilleiter (17.) auf_; ein Tragband (18) entstehen, an den flachen Seiten der Trägerrohre angebracht sind. ' ■■-._■."

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   BAD ORJGiMAL

   • \J PLA 66/1544 10. Supraleitendes Kabel nach Anapruch 9,dadurch gekenn-

   zeichnet, daß die Röbelstäbe durch eine Halbleiterechicht (19) mit dem Jeweiligen Trägerrohr verbunden sind« (Figur 3}

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