DE2119696A1

DE2119696A1 - Dehnungskörper für supraleitende Kabel

Info

Publication number: DE2119696A1
Application number: DE19712119696
Authority: DE
Inventors: Fritz 8520 Erlangen Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-04-22
Filing date: 1971-04-22
Publication date: 1972-10-26
Also published as: GB1340181A; FR2136607A5; DE2119696B2; US3725565A; DE2119696C3

Description

Dehnungskörper für supraleitende Kabel

Bei supraleitenden Kabeln ist es bekannt, das supraleitende Leitermaterial auf Rohre aus hochreinem Metall, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, aufzubringen, die bei der Betriebstemperatur des Supraleiters von beispielsweise etwa 4 bis 5 K elektrisch normalleitend sind und eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit besitzen. Eine solche Bauform eignet sich insbesondere auch für Wechselstrom- bzw. Drehstromkabel, bei denen für jede Phase eine konzentrische Rohranordnung verwendet wird. Dabei dient das Innenrohr als Hinleiter, das Außenrohr als Rückleiter, während die Verkettung der Phasen außerhalb des eigentlichen Kabels erfolgt. Das elektromagnetische Feld bildet sich dabei nur zwischen dem Innen- und dem Außenleiter aus. Bei den technischen Frequenzen haben sich als Supraleitermaterialien für Wechselstrom- und Drehstromkabel am besten reine Metalle, wie Niob oder Blei, bewährt, die nur sehr kleine Hystereseverluste aufweisen, wenn man unter der kritischen Feldstärke H₁ bleibt. Die Rohre aus Kupfer oder Aluminium dienen bei anomalen Betriebszuständen, beispielsweise bei Kurzschlüssen oder Überlast, zur elektrischen Stabilisierung des Supraleiters und übernehmen den Strom, wenn der Supraleiter ganz oder teilweise in den elektrisch normalleitenden Zustand übergehen sollte.

Das Supraleitermaterial wird bei Wechsel- und Drehstromkabeln zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten in den gut leitenden Kupfer- oder Aluminiumrohren auf der Außenseite des Innenrohres und auf der Innenseite des Außenrohres aufgebracht. Die elektrische Isolation zwischen Hin- und Rückleiter geschieht zweckmäßig durch Hochvakuum oder flüssiges Helium unter überkritischem Druck (P > 2,3 * 1(r N/m ), um damit eine

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Zweiphasenströmung, die auch strömungstechnisch zu Komplikationen führt, zu vermeiden. Zur Abstützung der beiden Rohre gegeneinander werden noch hochspannungsfeste Stützer benötigt, deren Verluste bei hinreichend großen Abständen jedoch kaum eine Rolle spielen. Die Rohre sind ferner in einem Schutzrohr angeordnet, das zur thermischen Isolation evakuiert wird. Ferner kann zwischen den koaxialen Rohren des Kabels und dem äußeren Schutzrohr noch ein beispielsweise mit flüssigem Stickstoff gekühlter Strahlungsschild aus Metall, beispielsweise Kupfer, vorgesehen sein. ,

Bei der Inbetriebnahme eines supraleitenden Kabels der geschilderten Bauart treten Schwierigkeiten durch die Schrumpfung des Materials auf, aus dem die Trägerrohre bestehen und die bei Heliumtemperatur etwa 3,2 foo bei Kupfer und 4,2 %o bei Aluminium beträgt. Man hat also je 100 m Kabellänge beim Herunterkühlen auf die Betriebstemperatur von etwa 4 bis 5 K mit Verkürzungen von etwa 32 bis 42 cm zu rechnen. Ein Ausgleich dieser Verkürzungen kann durch Dehnungskörper erreicht werden, die in die starren Rohre eingefügt werden. Nähere Untersuchungen haben nun ergeben, daß die Bedingungen für eine einwandfreie Funktion solcher Dehnungskörper in einem supraleitenden Kabel nur unter Beachtung einer Reihe von wichtigen Voraussetzungen einzuhalten sind. Lies gilt insbesondere für Wechselstromkabel, bei denen eine in den Dehnungskörpemauftretende Erhöhung der Wechselstromverluste gegenüber den starren Kabelstücken einen erhöhten Heliumdurchsatz und damit einen vergrößerten Kühlmittelaufwand erforderlich machen würde.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Dehnungskörper für supraleitende Kabel zu schaffen, bei denen das Supraleitermaterial auf der Innenseite eines starren Außenrohres und auf der Außenseite eines starren Innenrohres aus normalleitendem Material angeordnet ist. Die betriebsmäßigen Anforderungen an einen solchen Dehnungskörper lassen sich gemäß der Erfindung dadurch erfüllen, daß in beide starren Rohre normalleitende, ebenfalls mit Supraleitermaterial beschichtete

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Wellrohre eingefügt sind, von denen das innere Wellrohr mittels sich trichterförmig erweiternder Übergangsstücke an das starre Innenrohr angeschlossen ist und einen gegenüber dem Innenrohr derart vergrößerten Mindestdurchmesser aufweist, daß die magnetische Feldstärke an der äußeren Ober-, fläche des inneren Wellrohres die magnetische Feldstärke an der äußeren Oberfläche des Innenrohres nicht überschreitet und daß beide Wellrohre durch Führungselemente konzentrisch zueinander und zur Kabelachse geführt sind.

Durch diese Konstruktion wird berücksichtigt, daß an der Oberfläche des auf dem starren Innenrohr befindlichen Supraleiters eine/magnetische Feldstärke nicht überschritten werden darf, wenn die Wechselstromverluste den für das Kabel höchstzulässigen Wert nicht überschreiten sollen. Bis zu dieser maximalen magnetischen Feldstärke kann der Supraleiter beim normalen Betrieb des Kabels mit Strom belastet werden.

Bei einem rohrförmigen Leiter ist die magnetische Feldstärke an der Oberfläche proportional zu dem über den Leiter fließenden Strom und umgekehrt proportional zum Durchmesser des Leiters. Betrachtet man nun statt eines starren rohrförmigen Leiters ein mit einer supraleitenden Schicht versehenes Wellrohr, so zeigt sich, daß in den durch die \eLlungen des Wellrohres gebildeten Einsenkungen, denen der in der supraleitenden Schicht fließende Strom folgt, das Magnetfeld sowohl des in die Einsenkungen hinein als auch das Magnetfeld des aus den Einsenkungen herausfließenden Stromes wirksam wird. Dadurch wird die magnetische Feldstärke an der Oberfläche des Wellrohres erhöht. Beim erfindungsgemäßen Dehnungskörper ist nun durch entsprechende Bemessung des Mindestdurchmessers des über sich trichterförmig erweiternde Übergangsstücke an das starre Innenrohr angeschlossenen Wellrohres dafür gesorgt, daß die magnetische Feldstärke an der äußeren, mit Supraleitermaterial beschichteten Oberfläche des Wellrohres die magnetische Feldstärke an der Oberfläche des starren rohrförmigen Innenleiters nicht überschreitet. Dadurch wird erreicht, daß das riabel bis ζην maximalen magnetischen FeId-

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stärke an der Oberfläche des rohrförmigen Innenleiters belastet werden kann, ohne daß im Dehnungskörper erhöhte Wechselstromverluste auftreten. Wie groß der Mindestdurchmesser des inneren Wellrohres im Einzelfall sein muß, hängt davon ab, wie weit das Wellrohr beim Betrieb des Kabels zusammengeschoben ist. Für den einen Grenzfall, daß das Wellrohr so dicht zusammengeschoben ist, daß die einzelnen Wellungen praktisch aneinanderstoßen, erhöht sich das Magnetfeld an der Oberfläche gegenüber-einem glatten Rohr mit gleichem Durchmesser etwa um den Faktor 2. Der Mindestdurchmesser des Wellrohres muß dann doppelt so groß sein, wie der Durchmesser des starren Innenrohres, damit die Bedingung für das Magnetfeld an seiner Oberfläche eingehalten wird. Wird das Wellrohr weniger stark zusammengeschoben, so wird das Magnetfeld an seiner Oberfläche weniger stark erhöht und das Wellrohr kann einen kleineren Mindestdurchmesser haben. Auf jeden Fall muß aber der Mindestdurchmesser des Wellrohres größer sein als der Durchmesser des starren Innenrohres.

Weiterhin als kritisch für die Entstehung von Verlusten hat sich eine Abweichung der Wellrohre von der konzentrischen Anordnung erwiesen. Sitzt nämlich beispielsweise das innere Wellrohr ganz oder teilweise nicht konzentrisch zur Rohrachse, so erhöht sich das Magnetfeld an der Seite, an der sich das innere Wellrohr dem äußeren stärker nähert, während es an der gegenüberliegenden Seite abnimmt. Es läßt sich durch Rechnungen nachweisen, daß jede außermittige Lage des Innenleiters zu einer Erhöhung der Verluste führt, selbst wenn an der Engstelle das kritische Magnetfeld Η_β1 nicht überschritten wird. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene konzentrische Führung der Wellrohre werden derartige Wechselstromverluste vermieden.

Ferner ist es vorteilhaft, auch das äußere Wellrohr durch sich trichterförmig erweiternde Übergangsstücke an das starre Außenrohr des Kabels anzuschließen. Zwar ist die magnetische Feldstärke an dem als Rückleiter dienenden starren Außenrohr und damit auch an dem in dieses eingeschalteten Wellrohr wegen

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des größeren Durchmessers geringer als am Innenrohr, doch kann die benötigte Spannungsfestigkeit zwischen innerem und äußerem Wellrohr einen Mindestabstand zwischen diesen erforderlich machen, der wenigstens gleich dem Abstand zwischen den starren Rohren ist.

Die Mittel zur Führung der Wellrohre können aus metallischem Material bestehen und sind dann im feldfreien Raum anzubringen, am inneren Wellrohr also an der Innenseite und am äußeren Wellrohr "an der Außenseite. Neben oder statt der metallischen Führungsmittel können auch Kunststoffe mit geringem Yerlustwinkel verwendet werden, die man dann auch im Raum zwischen beiden Wellrohren anordnen kann. Als Führungselemente dienen dabei vorteilhaft Buchsen, die mit Anschlägen zur Begrenzung des Dehnungsweges der Wellkörper versehen sind.

Weiterhin kann es in vielen Fällen vorteilhaft sein, Mittel vorzusehen, welche die verhältnismäßig ungünstigen elastischen Eigenschaften der vorzugsweise aus hochreinem Aluminium oder hochreinem Kupfer bestehenden Wellrohre berücksichtigen. Es ist in der Regel nicht möglich, zur Verbesserung der elastischen Eigenschaften den hochreinen Leitermaterialien Zusätze, wie beispielsweise Zink zu Kupfer, hinzuzufügen, da durch solche Zusätze die elektrische Leitfähigkeit erheblich herabgesetzt wird. Man muß also damit rechnen, daß beim Herabkühlen des Kabels von einer Seite her die Wellkörper sich wegen der Schrumpfung der davorliegenden Rohre nach dieser Seite hin ausdehnen, wobei unter Umständen ihre Dehnungsfähigkeit überschritten wird. Um dies zu vermeiden, kann man auf den einzelnen Rippen der Wellrohre Drähte oder Metallgeflechte, beispielsweise aus Edelstahl, durch Löten oder Schweißen derart befestigen, daß örtliche Überdehnungen der Wellkörper vermieden werden. Die Drähte bzw. Metallgeflechte müssen sich im feldfreien Raum befinden, d.h. am inneren Wellrohr an dessen Innenseite und am äußeren Wellrohr an dessen Außenseite.

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Weitere Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Dehnungskörpers sollen im.folgenden an Hand eines Ausführungsbeispieles beschrieben werden, das in der Figur schematisch dargestellt ist. Die Figur zeigt im Längsschnitt eine Ausführungsform eines Dehnungskörpers nach der Erfindung, und" zwar im oberen Teil A im gedehnten, im unteren Teil B im zusammengeschobenen Zustand. Der gesamte Dehnungsweg beträgt /\1. Das normalleitende Innenrohr des Kabels ist mit 1, das normalleitende .Außenrohr mit 2 bezeichnet. Auf beiden Rohren sind supraleitende Schichten 3 bzw. 4 aufgebracht. An die Rohre sind Übergangsstücke 5, 6, 7 und 8 angeschlossen, die sich zumindest auf einem Teil ihrer Länge trichterförmig erweitern und in Wellrohre 9 bzw. 10 übergehen. Die Wellrohre sind ebenfalls mit Supraleitermaterial 3 bzw. 4 beschichtet, das sich an der Außenseite des inneren Wellrohres 9 und an der Innenseite des äußeren Wellrohres 10 befindet. Zur konzentrischen Führung der Wellrohre sind metallische Buchsen 11 und 12 mit Anschlägen 13 und 14 vorgesehen, die im Zusammenwirken mit Anschlägen 15 und 16 an den Übergangsstücken 7 und 8 den Dehnungsweg begrenzen. Außerdem ist zwischen die beiden Wellrohre 9 und 10 eine Kunststoffbuchse 17 eingesetzt, die mit Kanälen 18 für den Durchfluß des gleichzeitig als elektrische Isolation dienenden Kühlmittels versehen ist. Bei Vakuumisolation zwischen Innenleiter und Außenleiter erleichtern die Kanäle 18 die Evakuierung des Raumes zwischen Innen- und Außenleiter des Kabels. Die einzelnen Rippen der Wellrohre 9 und 10 sind an den mit 19 bzw. 20 bezeichneten Stellen mit Drähten 21 und 22 verschweißt, deren Länge so gewählt ist, daß sie im gedehnten Zustand des Dehnungskörpers etwa gestreckt sind und dadurch gleiche Abstände der einzelnen Rippen jedes Wellrohres erzwingen.

Aus der Figur ist deutlich zu erkennen, daß der Mindestdurchmesser des inneren Wellrohres 9, gemessen zwischen der supraleitenden Oberflächenschicht, gegenüber dem Mindestdurchmesser des Innenrohres 1 des Kabels erhöht ist.

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Die Wellrohre können zweckmäßig aus Rohren aus Reinstkupfer oder Reinstaluminium hergestellt werden, die zunächst durch Plattieren oder Elektrolyse, durch Abscheiden supraleitenden Materials aus der Gasphase oder durch Bedampfen mit dem Supraleitermaterial beschichtet und anschließend in bekann-, ter Weise zu einem Wellrohr verarbeitet werden. Die aufgebrachten supraleitenden Schichten sind verhältnismäßig dünn. Die supraleitenden Schichten können daher an den Enden der Wellrohre bzw. der Übergangsstücke vorteilhaft verstärkt, ausgebildet sein, vgl. die Stellen 23, 24, 25 und 26 in der Figur, damit sie mit den Schichten der starren Rohre verschweißt werden können. Es hat sich gezeigt, daß man beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißen zu einer supraleitenden Verbindung der Schichten kommen kann, deren Stromtragfähigkeit derjenigen der glatten Rohre ebenbürtig ist.

Die in der Figur dargestellte Konstruktion ist auch dann anwendbar, wenn in den Dehnungskörpern bei Vakuumisolation zwischen Hin- und Rückleitern von außen durch das dann außerhalb des Außenleiters und innerhalb des Innenleiters befindliehe Kühlmittel mehrere 10 N/m Druck auf die Wellrohre einwirken. Durch die Führungsmittel werden trotzdem lokale Überdehnungen, Exzentrizitäten und Knicken vermieden.

Die Verwendung von Dehnungskörpern nach der Erfindung ermöglicht es, große Kabellängen sowohl bei Gleich- als auch bei Drehstrombetrieb aus glatten Rohren herzustellen, die mit großer dielektrischer Festigkeit ausgebildet werden können. Der völlige Ausgleich der Schrumpfungen vermeidet das Auftreten mechanischer Spannungen, ermöglicht also verhältnismäßig leichte Abstützungen und damit geringe Wärmebrücken. Die Stellen, an denen die Dehnungskörper in die Kabel eingesetzt sind, schaffen konstruktive Möglichkeiten für Kupplungen starrer Rohrlängen und für den Anschluß von Vakuumpumpen bei Kabeln mit Vakuumisolation.

6 Patentansprüche

1 Figur 209844/0 5.8

Claims

Patentansprüche

\JDehnungskörper für supraleitende Kabel, bei denen das Supraleitermaterial auf der Innenseite eines starren Außenrohres und auf der Außenseite eines starren Innenrohres aus normalleitendem Material angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in beide starren Rohre normalleitende, ebenfalls mit Supraleitermaterial beschichtete Wellrohre eingefügt sind, von denen' das innere Wellrohr mittels sich trichterförmig erweiternder Übergangsstücke an das starre Innenrohr angeschlossen ist und einen gegenüber dem Innenrohr derart vergrößerten Mindestdurchmesser aufweist, daß die magnetische Feldstärke

an der äußeren Oberfläche des inneren Wellrohres die magnetische Feldstärke an der äußeren Überfläche des Innenrohres nicht überschreitet und daß beide Wellrohre durch Führungselemente konzentrisch zueinander und zur Kabelachse geführt sind.
2. Dehnungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch das äußere Wellrohr durch sich trichterförmig erweiternde Übergangsstücke an das starre Außenrohr angeschlossen ist.
3. Dehnungskörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindes+°bstand zwischen dem äußeren und dem inneren Wellrohr wenigstens gleich dem Abstand zwischen den starren Rohren ist.
4. Dehnungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Übergangsstelle vom starren Rohr zum Wellrohr bzw. zum Übergangsstück die supraleitenden Schichten verstärkt und miteinander verschweißt sind.
5. Dehnungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rippen der Wellrohre durch an den· Rippen befestigte Drähte oder Metallgeflechte so miteinander verbunden sind, daß lokale Überdehnungen vermieden

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werden.
6. Dehnungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß als Führungselemente im feldfreien Raum Metallbuchsen und/oder im felderfüllten Raum Kunststoffbuchsen mit Anschlägen zur Begrenzung des Dehnungsweges angeordnet sind.

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