DE2202288A1

DE2202288A1 - Tiefsttemperaturkabel

Info

Publication number: DE2202288A1
Application number: DE19722202288
Authority: DE
Inventors: Marcel Aupoix; Francois Moisson-Franckhauser
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1971-01-21
Filing date: 1972-01-18
Publication date: 1972-07-27
Also published as: FR2122741A5; IT946655B; DE2202288C3; NL7200845A; BE777856A; CH550498A; US3730966A; GB1371818A; DE2202288B2; JPS5651445B1

Description

Tie/¹ a b fcemperaturkabel

Die Erfindung betrifft Ti.oi'stteraperaturlrabel, im .folgend.en "Kryoluiboi." genannt.

.!.'in liit bekannt, Kr.yokabel herzustellen, die in der Lage nind, i'il.ci .^hatröpiß oder V/achaelströmo (einphasig oder tiiehrphaüiβ ) ^r/,v. tranapoL·liieren. Unter dieseii Kryokabeln umfaüt oineo eiae zentrale Leituug, die allgemein aus oinoiii iso'l ieri,'ndcn Ma burial beateht, vfobei dioae Leitung 0. io ^i.i'kulatioti eiutiH Kälte erzeugenden IMu^Ih ermbglirihC

e1*u«m <*»itenden Metall

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umgibt diene v.entrale Leitung; dieeo Lage .131 selbst von einer zweiten Lage aus einem supraleitenden Material umgeben., Jäine xo-jliorendo Lage umgibt diese beiden vorhergehenden LiigGii und die gleiche- abgestufte Struktur wiederholt eich koaxial. Eine andere für die· Zirkulation eirieg Kälte erzeugenden Fluide 3orgeiide Leitung umgibt di^ss abgestuften koaxialen Strukturen.

Bei bekannten Krvokabeln hat nan insbesondere versucht, mechanische Spannungen ;u eliminieren, die in Höhe der verschiedenen Lagen, wenn sie in einem Kälte erzeugenden Fluid der Kälte ausgesetzt wurden, zur Wirkung kommen können,, Diese mechanischen Spannungen verlaufen radial und longitudinal.

Eine besonders wichtige Bedingung für die Kryokabel besteht darin, daß verhindert wird, daß das magnetische infolge Stromdurchgang in der supraleitenden Schicht einer Struktur erzeugte magnetische oben beschriebene Feld die benachbarte leitende Schicht stört und hier induzierte magnetische Felder erzeugt. Diese induzierten Felder sorgen für eine Temperaturerhöhung des Kroykabels; der Verbrauch an Kälte erzeugendem Fluid wächst; es bestehen somit Gefahren einer Sperrung der supraleitenden Schicht. Dies let einer der lachteile der bekannten Kryokabel.

Bei solchen Kryokabeln besteht die Schicht aus supraleitendem Material au3 nebeneinander angeordneten Bändern, die spiralförmig gewickelt sind. Im allgemeinen werden für zwei mehrstufige Strukturen die supraleitenden Lagen von gleichen Strömen entgegengesetzter Richtung durchflossen. Dao Eindringen des magnetischen Feldes in die benachbarte leitende Schicht erfolgt, wenn die Spiralen der supraleitenden Lagen von unterschiedlicher Steigung sind oder wenn diese

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Lagen unregelmäßig sind oder beispielsweise durch Wicklungen mit nicht-anliegenden Spiralen gebildet sind.

Eine andere Struktur eines bekannten Kryokabels umfaßt eine supraleitende Schicht, die auf ein kältebeständiges Material abgeschieden ist. Der elektrische und thermische Widerstand dieser Struktur soll auch so gering wie möglich sein, um die Stabilisierung des so gebildeten zusammengesetzten Leiters zu ermöglichen. Beim Übergang der supraleitenden Schicht oder Lage in den normalen oder gesperrten Zustand passiert der Strom in die kältebeständige Lage· Eine solche Struktur ist von kompliziertem Aufbau und weist den Nachteil auf, daß die Blockierung der supraleitenden Lage nur auf einen Bereich geringer Ausdehnung begrenzt wird, was zu Beschädigungen durch thermischen Effekt führen kann und was darüber hinaus sich lokal der Rückkehr det supraleitenden Lage in ihren anfänglichem supraleitenden Zustand widersetzt.

Erfindungsgemäß sollen diese bei den vorher beschriebenen Kryokabeln auftretenden Nachteile behoben werden und ein Kryokabel von einer Struktur geschaffen werden, die eine erste Lage aus einem leitfähigen Material, Einrichtungen zum Kühlen dieser ersten Lage und eine zweite Lage aus einem supraleitenden Material aufweist.

Sie zeichnet sich aus durch iiinrichtungen die den elektrischen Kontakt zwischen erster und zweiter Lage sicherstellen und ein Material großen elektrischen spezifischen Widerstandes, das zwischen die ersten und zweiten Lagen gelegt ist«

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden schematischen Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Pig. 1 perspektivisch im Stufenschnitt eine schematische Darstellung eines Kryokabels nach der Erfindung zeigt; 209831/0737

Pig. 2 sei.gt eine ο cheu.it ine he Darstellung in Längsschnitt dee genannten Kryokabels.

Sich entsprechende .Elemente tragen in den beiden Figuren gleiche Bezügezeichen.

Fig. 1 zeigt perspektivisch im Stuf anschnitt ein Krjrokabel bestehend aus einer koaxialen Innenatruktur 1, welche aufweist :

- eine zentrale Lei t.ung 2 in der Achöe der Innenstruktur, dj.e für die Zirkulation eines Kälte erzeugenden Fluids sorgt. Diese zentrale Leitung kann beispielsweise aus einem synthetischen isolierenden perforierten Material gebildet sein;

- einer ersten Lage 3 aus einem leitl'ähigen Material bestehend aus dicken Bändern aus tief3ttecaperaturbeständigem Aluminium oder Kupfer, welche npiralartig um die zentrale Leitung 2 gewickelt sind;

- einer zweiten Lage aua einem supraleitendem Material 4, bestehend aus Niobbändern, die spiralförmig um die erste Lage gewickelt sind, wobei dieee Spiralen einen Wicklungseinn entgegengesetzt zum Wicklungsainn der Spiralen der ersten Lage aufweisen;

- einem Material 5 großen spezifischen elektrischen Wideretandes, insbesondere bei niedriger '.Temperatur (auch kryobeständig genannt), welches zwischen die ersten und zweiten Lagen gelegt ist. Dienes Material ist zwischen die beiden Lagen in Form eine? Drahten oder Wulstes erheblichen Querschnittes gelegt, ilor spiralförmig mit nicht-anliegenden Spiralen auf die erste Lage 3 aue leitfähigem Material £Pwickelt ist.

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Die Dicke dieses Wulstes ist wenigstens gleich derjenigen der Lage aus supraleitendem Material.

Dae Kryokabel besteht im übrigen aus einer koaxialen Außenßtruktur 7, die von der Tnnenstruktur beispielsweise durch ein dickes Polyäthylonband getrennt iet, das elektrisch Innen- und AuQenstruktur voneinander isoliert.

Diese Außenstruktur umfaßt:

Eine erste Lage oder Bahn aus einem supraleitenden Material 9 die beispielsweise aus Niobbändern gebildet ist, welche spiralförmig um das dicke und isolierende Band 8 gewickelt sind; einen Wulst mit großem epezifischen elektrischen Widerstand 10, der wie im Pail der ersten Struktur ein Draht erheblichen Querschnittes ist, der spiralförmig mit nicht-anliegenden Spiralen um die erste Lage gewickelt ist; eine zweite Lage 11 au3 einem leitfähigen Material, welches aus einem dicken Aluminiumband gebildet ist, das spiralförmig um den Wulst 10 gewickelt ist; eine andere Leitung 12, die für eine Zirkulation eines Kälte erzeugenden Plaids um die beiden koaxialen Strukturen sorgt.

Im übrigen ist auf dieser Figur ein breites Band 14 dargestellt, das spiralförmig auf die zentrale Leitung 2 gewickelt ist. Dieses Band kann aus Kupfer bestehen; es ist dazu bestimmt, den Wärmeaustausch zwischen dem Kälte erzeugenden in der zentralen Leitung zirkulierenden Fluid und der ersten Lage aus Aluminium zu begünstigen. Diese zentrale Leitung ist mit Nuten 16 und Bohrungen versehen, die dazu bestimmt sind, die Fortpflanzung des KaLte erzeugenden Fluids bis zur zweiten Lage des supraleitenden Materials zu ermöglichen.

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Paa Kälte erzeugende Fluid gelangt bis zu dieser zweiten Lage über die Bonrungen 17 und über die Zwischenräume «wischen den Spiralen der ersten Lage aus leitfähigea Material 3.

Der isolierende Wulst 10 iat spiralförmig mit Spiralen von sehr großen Abstand gewickelt, welches ee dem Kälte erzeugenden Fluid ermöglicht, leicht zwischen der ersten Lege 3 und der aweiten lage 4 zu Birkulieren und so in direkten Kontakt mit dieser zweiten Lage aus supraleitendem Material au kommen. Die Isolierung θ isoliert elektrisch die ersten und zweiten Strukturen und ist in eich überlagernden Schichten alt Band umwickelt·

Die äußere Struktur ist mit einem breiten Band 15 aus Kupfer in Kontakt mit der zweiten Lage aus leitfähigem Material 11 versehen, wobei dieses spiralförmig gewickelte Band den Wärmeaue tauech zwischen dem Kälte erzeugenden, bei 16 in der Leitung 12 zirkulierenden Fluid und-der leitenden Lage 11 begünstigt. Wie im TaIIe der ersten Struktur erreicht das Tiefstemperaturfluid bzw. Kälte erzeugende Fluid leicht aie erste supraleitende Lage 9 und zirkuliert leicht zwischen der ersten Lage 9 und der zweiten Lage 11 aufgrund des Wulstes 10, der spiralförmig mit Spiralen von sehr großem Abstand gewickelt ist.

Han sieht, daß die Bandauebildungen 14 und 15, die den Wärmeauetausch begünstigen sollen, fortfallen können.

Der Wulst 10 spielt eine wichtige Rolls in jed«r der Strukturen· JSr ermöglicht das Vorhandensein des Kälte erzeugenden fluids zwischen den kryobeatändigen und supraleitenden Lagen· JKr entfernt die beiden Lagan derart voneinander, daß verhindert wird, daß das Leckfeld aufgrund der kleinen .Entfernungen zwischen den Bändern aus supraleitendem Material nicht die

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Lage aus leitfähigem Material erreicht, wao zu einer zu starken Erwärmung dieser Lage führen würde. Seine Hauptrolle bestellt darin, die Verteilung des Strome zwischen den Lagen bei eventuellem Verlust des supraleitenden Zustande zu konditionieren und hierbei einen Detektor- oder Meßzuetand herbeizuführen, der einen wirksamen Schutz deß Kryokabela ermöglicht.

Die Lagen aus leitfähigem Material 3 und 11 der Innen- und Außenstruktur sind spiralbandmäßig in entgegengesetzter Richtung mit entgegengesetztem Steigungssinn, jedoch im wesentlichen im gleichen Winkel bezogen auf die Achse deB Krjokabels gewickelt. Der Zweck hiervon ist, die mechanischen axialen und radialen Spannungen zu vermeiden, die zwischen den Strukturen wirken, wenn das Kryokabel der Kälte ausgesetzt wird. Darüber hinaus vermeidet diese Anordnung, daß ein erhebliches i'oreionsmoment das Kryokabel bei dessen Aufwicklung auf einem Drehkopf für seinen 'transport und das Ablegen auf den Erdboden beschädigt.

Die Aluminiumbänder der ersten Schicht und der supraleitenden zweiten Lage werden aus den gleichen Gründe mit erheblicher Dicke gewählt. Die supraleitenden Bänder werden spiralförmig alt gleichem Steigungssinn und gleicher Richtung bei den beiden Strukturen gewickelt, um nicht ein Hagnetfeld in Höhe der Innenlage aus leitendem Material 3 zu erzeugen.

Diese besonders vorteilhafte Anordnung ermöglicht es, ein Kryokabel großer Länge (beispielsweise von 400 α nicht-variabler Länge) wenn es gekühlt wird, herzustellen, dessen Struktur nicht durch mechanische Spannungen aufgrund einer erheblichen thermischen Änderung oder einer Verformung

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des Kryokabels, wenn dieses auf einen Drehkopf gew-ickolt wird, beschädigt wird.

Die Vorteile dee Kryokabelo nach der Erfindung orgeben sich mit Bezug auf die Beschreibung der Pig. 2, die das Kryokabel im achematischen Längsschnitt zeigt.

In dieser Pigur eind im übrigen elektrische Vorbindungsdrähte 19, 20, 21, 2?. dargeatellt.

Nach einer ersten Variante der Erfindung sind die Yerbindungsdrähte 19 und 20 an verschiedenen Stellen des Wulstes 5 aus Material großen elektrischen spezifischen Widerstandes der ersten Struktur angeschlossen; die Drähte 21 und 22 Bind mit dem Wulst 10 der zweiten Struktur rerbunden.

Jeder Kryokabslabschnitt hat eine Länge von 400 m beispielsweise; ein Verbindungsdraht ist'an jedem undo des Abschnittes angeordnet. Wach dieser ersten Variante der Erfindung ist der Wulst ein Draht großen spezifischen Widerstandes (100 0hra-cm etwa, beispielsweise aus mit füllstoffbeladenem Polyäthylen). Wenn die supraleitende Lage sperrt, geht der Strom in die leitende Lage über den Wulst großen spezifischen Widerstandes über, dessen Spiralen in Kontakt mit jeder der beides leitfähigen und supraleitenden Lagen sind. Die gerade beschriebenen Verbindungsdrähte ermöglichen im übrigen die Messung oder Ermittlung (detection) des Kryokabeiabschnittes, der aus dem supraleitenden Zust&nd in den gesperrten Zustand übergegangen ist. Der Stroa in jeder Lage hängt ab von der Abszisse des längs des Abschnittes blockierten 'Bereiches.

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Haoh einer «weiten Variante der Erfindung iet das Material großen epeslfiBohan Widerstandes, welches den Wulst bildet, ein elektrischer Isolierstoff. Der elektrische Kontakt wird nur an bestimmten Punkten länge dee betrachteten Kryokabelabschnlttes hergestellt. Beispielsweise an den Punkten 23 und 24 für die Innenstruktur und an den Stellen 25 und 26 für die Außenstruktur.

Man ordnet die Detektordrähte 19, 20, 21, 22 wie vorher an, um die Sperrung der supraleitenden Lagen zu messen. Beim Sperren der supraleitenden Lage geht der Strom in die leitende Lage über Kontakte wie 23, 24, 25, 26. Diese Detektor- oder Meßdrähte sind von einer Bleihtille umgeben und münden beispielsweise in die zentrale Leitung 2 für die Innenetruktur und die Leitung 12 für die Außenstruktur.

Die Verbindungedrähte ermöglichen die dauernde Regelung einer günstigen Arbeitsweise des KrybkabelB. Jeder Vorfall, der zu einem lokalen Verlust des supraleitenden Zustandes der supraleitenden Lage führt» stellt eich ala eine langsame Erwärmung dieser Lage dar. Die Yerbindungedrähte, die die Messung dieses Torfalle ermöglichen, erlauben in übrigen, das Kryokabel mittels öohaltern nit ziemlich geringer Arbeitsgeschwindigkeit BU schützen· Bei einen Sperren und naoh der ersten Variante der erfindungsgemäßen Haßnahrao durchsetzt der Strom die leitende Lage auf einer Longe von 200 m au beiden Seiten des gesperrten Bereiches» wenn nan Abschnitte von 400m Länge betrachtet. Diese besonders vorteilhafte Anordnung ermöglicht es, schnell die Stromstärke in der supraleitenden Lage in Höhe des gesperrten Bereiche« der supraleitenden Lage zu vermindern und damit die Beschädigung dieses Bereichen zu vermeiden. £0 soll darauf hingewiesen werden, daß bei eine» Blockieren die

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Impedana der supraleitenden Lage größer ale dia der leitenden oder Kältetes tändigen La/,;e ist.

Der durch den Stromdureh^iVng in dur ,leitenden Lage erzeugte Spannungsabfall erraöclicht es auf etliche 100 α die Sperrung zu ermif.teln.

Die Verbindungenrähte ermöglichen es sücn, dae Vorhandenaein eines Magnetfeld se In» Hautn zwischen der lsitenden Lage und der supralaitenden Lage zu ermitteln. Dieses Magnetfeld tritt aufgrund des Sperrens der supraleitenden Lage auf. Jüine induzierte Spannung tritt zwischen den Punkten 23 und 24 oder zwischen den Punkten 25 und 26 auf. Die Lokalisierung des gesperrten Bereiches erfolgt durch Vergleich der Spannungen an den linden der Verbindungedrähte verschiedener benachbarter Abschnitte.

Nach der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Maßnahme ist der WulBt mit großem spezifischem Widerstand ein elektrischer Isolierstoff. Der elektrische Kontakt wird in regelmäßigen Intervallen zwischen leitender und supraleitender Lage hergestellt, beispielsweise am Knde jedes Abschnittes alle 400 m . Die Ermittlung dee Sperrens erfolgt in gleicher Weise wie nach der ersten Variante; jedoch hängt der Strom in jeder Lage nicht von der Abezieee des längs des Abschnittes gesperrten Bereiohee ab.

Selbstverständlich kann die Aneahl von Verbindungepunkten, die gleich zwei für Jede Struktur eines Abschnittes von 400 m gewählt wurde, höher liegen.

Selbstverständlich sind auch die gerade beschriebenen echematischen Figuren nichts weiter als ein Ausführungobeispiel für ein Kryokabel nach der Erfindung. .Bin Material

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hätte im Rahmen der Erfindung durch oia anderes Material ersetzt werden können. Dieses Kryokabel und sein zugeordnetes hier für V/echeelBtrotn beschriebenes Meßsystem können auch für Gleichstrom Verwendung fänden»

Patentansprüche

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Claims

- 12 Patentansprüche

^y Tiefsttemperaturkabel bzw. Kryokabel bestehend aus einer Struktur, die aufweist: eiue ernte Lage (3) aus einem leitfähigen Material, Einrichtungen (2) zum Kühion diener ersten Lage und eine zweite La^e (4) auo einem supraleitenden Material, gek3nnzeichnet durch Einrichtuiiß (23), die für den elektrischen Kontakt zwischen der ersten uiid zweiten Lage sorgen; und durch ein Material (5) großen sp-^z-ifiachon elektrischen Widerstandes, dao zwischen die oroten und zweiten Lagen gelegt ist.
2.) Kryokabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dai3 dieses Material (5) großen öpezifischen Widerstandes diskontinuierlich zwischen erster und zweiter Lage gelegt iot.
3.) Kryokabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Material (5) großen speziflochen Widerstandes zwi die erote und zweite Lage in Form eines Wulstes gelegt ist, mit dem diese erste Lage spiralartig bandagiert ist.
4») Kryokabel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese für den elektrischen Kontakt sorgenden Einrichtungen (23) in diesen Material großen spezifischen Widerstandes in Kontakt einerseits mit dieser ereten Lage (3) andererseits mit dieser zweiten Lage (4) eingearbeitet bzw. eingebaut oind.
5.) Kryokabel nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß dieses Material (5) mit großem spezifischen Widerstand ein elektrischer Isolierstoff ist und dieae für den elektrischen Kontakt sorgenden Einrichtungen (23) Anschlüsse sind» die nur an Stelle zwischen dieeer ersten und zweiten Lage, vorgesehen sind.

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6.) Kryokabel nach einem der Ansprüche 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Innenstruktur (1) und eine Außenetruktur (7), wobei Innen- und Außenstruktur (1) bzw, (7) koaxial zueinander sind und diese Innenstruktur getrennt von der Au/3 ens tr uk tür durch einen elektrischen Isolierstoff (8) ist; durch zwei Leitungen (12 und 2) für Transport und Führung eines Kälte erzeugenden Fluids, von denen die nine um diese Außenstruktur (7) herum, die andere in dor Achse dieser Innenotruktur (l) vorgesehen ist und wobei diesu Laße (4 und 9) aus BUpraloitendein Material zwischen diesen Lagen aus leitendem Material (5 und 11) vorgesehen sind.
7·) Kryokabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese zweiten Lagen (4 und 9) dieser Innen- und Außenatruktur (1 und 7) spiralförmig rait gleicher Steigung und in gleicher Richtung angeordnet sind.
8,) Kryokabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieser in einer Spirale aufbandagierte Wulst (5) eine dicke wenigstens gleich derjenigen der zweiten Lage aus supraleitendem Material (4) aufweist.
9.) Kryokabel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieser diese Innen- und Außenetruktur trennende Isolierstoff (Θ) aus einem Polyäthylen besteht.

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