AT405990B - Kryo-stromeinführung für hohe spannungen mit zwischentemperaturwärmesenke - Google Patents

Description

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   Die Einleitung hoher Ströme zu meist mittels flüssigem oder auch überkritischem Helium zu kühlenden supraleitenden Einrichtungen bereitete wegen der zu überbrückenden grossen Temperaturdifferenz (ca. 300ca. 5K) bisher beträchtliche Schwierigkeiten. Die klassische Lösung beruhte auf   als kaltdampfgekühlte   Wärmeaustauscher in z. T. komplizierter Ausgestaltung ausgeführten Stromleitern und liess die auf tiefer Temperatur anfallende und dort mit grossem Aufwand wegzukühlende Wärmeeinbringung in einigermassen tragbaren Grenzen halten. Derartige als Wärmeaustauscher ausgebildete Kryo-Stromeinführungen sind z. B. in der WO 93/04487 A1 bzw. der DE 4134492 C2 beschrieben ; auf die Problematik der Spannungsisolation wird In diesen Schriften allerdings nicht eingegangen. 



  Die Sicherstellung einer ausreichenden Hochspannungsisolation von klassischen Kryo-Stromeinführungen konnte nicht In dielektrisch schwachem Heliumgas erfolgen, sondern erforderte den Einbau der Stromleiter in einen rohrförmigen, auf seiner   Aussen- und Innenseite potentialgeschirmten Durchführungsisolator,   der innerhalb des die supraleitende Einrichtung enthaltenden Kryostaten von Umgebungstemperatur bis in flüssiges Helium reichen musste (siehe z. B. Cryogenics February 1984, "DESIGN CRITERIA FOR HIGH VOLTAGE LEADS FOR   SUPERCONDUCTING   POWER SYSTEMS",   J. Gerhold,   S. 73-82, insbesondere S. 75,1 Spalte).

   Derart konnte beispielsweise die   Strom/Spannungseinleitung   zu Supraleiterkabelversuchsstrecken mit Betriebsspannungen von 60-138 kV realisiert werden ; die gesamte Wärmeeinbringung war allerdings beachtlich und erhöhte die aufzubringende Kühlleistung wesentlich. 



   Dank der vor einigen Jahren entdeckten Hochtemperatursupraleiter ist es gelungen, die Wärmeeinbringung von   Kryo-Stromonführungen   für kleine Spannungen wesentlich,   d. h.   unter 20 % der   Wärmeeinbrin-   gung   kaltdampfgekühlter   klassischer Stromeinführungen zu reduzieren und zugleich eine einfache, massive Ausgestaltung des Stromleiters ohne Notwendigkeit zu Wärmeaustausch mit Kaltdampf zu   ermöglichen.   Derartige kombinierte   Emführungstoter   bestehen dann bei Gleichstrom   überlicherwelse   aus einem einfachen stabförmigen Teil aus Kupfer oder anderem normalleitenden Metall, das den Temperaturbereich von Umgebungstemperatur bis unter 100 K überbrückt,

   wogegen der restliche Temperaturbereich bis hinunter zum die supraleitende Einrichtung kühlenden Helium vom Hochtemperatursupraleiter mit genügend hoher kritischer Temperatur zu überbrücken ist. 



   Zur Sicherstellung einer insgesamt geringen Wärmeeintragung ist es allerdings unumgänglich, die Verbindungsstelle zwischen dem Normalleiter und dem Hochtemperatursupraleiter direkt mit einem Zwi-   schenkühlmittel   zu benetzen. Dieses   Zwischenküh ! mittet-vorzugsweise   ein Flüssiggas wie etwa Flüssigstickstoff- stellt eine sehr wirksame Zwischentemperaturwärmesenke dar, die die Temperatur der Verbindungsstelle Im Betrieb in engen Grenzen konstant hält. Der Flüssigstickstoff wird der Verbindungsstelle von aussen zugeleitet, unter Isothermer Wärmeaufnahme verdampft und als Gas wieder abgeführt (Cryogenics May 1993, "CRYOGENIC LOAD CALCULATION OF HIGH Tc CURRENT LEAD",   P. F.   Herrmann et al., S. 



    555-562,   insbesondere S. 557 Spalte 2). 



   Die Hochspannungsisolation von kombinierten   Kryo - Einführungsleitern   mit Wärmesenke konnte allerdings bisher nicht befriedigend ausgestaltet werden. Es muss ja nun nicht nur-wie beim kattdampfge-   kühlten   klassischen   Elnführungsleiter- dieser   selbst im Kryostaten isoliert werden, sondern darüberhinaus muss auch das den Bereich um die Verbindungstelle zwischen dem Normalliter und dem Hochtemperatursupraleiter direkt benetzende   Zwischen kühlmittel unter   Hochspannung zu- und abgeführt werden. Dies war bisher nur bei mässig hohen Spannungsniveaus von wenigen Kilovolt möglich. 



   Die gegenständliche Erfindung löst die Aufgabe der hochspannungsgerechten direkten Benetzung des Bereiches um die Verbindungsstelle zwischen Normalleiter und Hochtemperatursupraleiter und ermöglicht derart den einfachen und betriebssicheren Bau von für hohe Spannungen einsetzbaren kombinierten Stromeinführungen mit sehr geringer Wärmeeinleitung dadurch, dass das in thermisch isolierten Leitungen strömende   Zwischenkühlmittel parallel   zum Stromleiter im Inneren des   Durchführungsisolators, also   auf
Hochspannung, zu-bzw. abgeführt wird. Zur Potentialtrennung der auf Hochspannungen befindlichen
Leitungen gegen Erde werden Zwischenkühlmittelisolierstrecken vorgesehen, die ausserhalb des die supra- leitende Einrichtung mit seinen Kryo-Stromeinführungen enthaltenden Kryostaten angeordnet sind. 



   Die beigefügte Figur zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer hochspannungsisolierten kombinierten
Stromeinführung unter Anwendung des Erfindungsgedankens. Der metallische Normalliter (1) wird im
Inneren eines im einfachsten Fall als einfacher Hohlzylinder ausgeführten Durchführungsisolators (2) angeordnet. Im Bereich um die Verbindungsstelle (3) zum Hochtemperaturleiter (4) ist der Normalleiter (1) direkt vom flüssigen   Zwischenkühlmittel   (5) benetzt,   Kühlrippen   können einen besonders guten Wärme- übergang sicherstellen. Als   Zwischenkühlmittel   wird vorzugsweise flüssiger Stickstoff vorgesehen.

   Der flüssige Stickstoff (5) wird   erfindungsgemäss   über eine von aussen kommende, im Inneren des Durchfüh- rungsisolators (2) verlaufende und thermisch isolierte Leitung (6) zugeführt, der anfallende Stickstoffdampf über eine zweite thermisch isolierte Leitung (7) abgeleitet. Beide Leitungen (6), (7) befinden sich also auf
Hochspannung. In Sonderfällen kann der Stickstoffdampf aber auch direkt zum warmen Anschlussende des 

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 Normalleiters (1) geführt und dort in die Atmosphäre abgeblasen werden, derart könnte die Leitung (7) mit   Zwischenkühlmittelisolierstrecke   (15) entfallen. 



  Ein gasdichter Behälter (8) schliesst den stickstoffgefüllten Raum im Inneren des Durchführungsisolators (2) ab Alternativ könnte auch der Normalliter (1) die Leitungen (6), (7) sowie die vom   Zwischenkühlmittel   (5) benetzte Zone im Bereich der Verbindungsstelle (3) In seinem Inneren aufnehmen, d. h. als hohler Leiter ausgebildet werden. 



   Das kalte Ende (9) des Hochtemperatursupraleiters (4) ist an eine im Kryostat (10) befindliche supraleitende Einrichtung (11) angeschlossen, die von flüssigem, überkritischem oder tiefkaltem gasförmigen Helium   gekühlt   wird. Dieses Helium kann die Einrichtung (11) umspülen, es kann aber auch an   Innengekühlte   Supraleiter mit Zwangsströmung gedacht werden ; Im letzteren Fall wird das Innere des Kryostaten (10) meist evakuiert gehalten. 



   Zur Isolation des Normalleiters (1) und   Hochtemperatursupraleiters   (4) mit Verbindungstelle (3), sowie der Leitungen (6) und (7), kann jede beliebige der bekannten und   bewährten Tieftemperatur-Isolatorformen   herangezogen werden. Besonders vorteilhaft und raumsparend erscheinen lange, mit entsprechend grosser Bohrung ausgeführte Durchführungsisolatoren.

   Zur Potentialschirmung dient einerseits eine auf Hochspannung liegende   leitfähige   Schicht (12) an der   Isolatonnnenseite,   die jegliche Potentialdifferenzen innerhalb der Bohrung des Durchführungsisolators (2)   hintanhält ;   zum anderen schirmt eine auf   Erdpotential   liegende   leitfähige   Schicht (13) an der Aussenseite des Durchführungsisolators (2) die im Kryostaten (10) herrschende Gasatmosphäre ab. Die Länge der Schicht (13) ist so zu bemessen, dass es weder an der von Luft umgebenen Aussenseite des Isolators (2) noch längs des Im Kryostaten (10) befindlichen, von kaltem Helium oder auch Vakuum umgebenen Teiles des Isolators (2) zu Überschlägen kommt. Zusätzliche Feldsteuerungsleketroden können angebracht werden.

   Auch könnte der Durchführungsisolator (2) in bekannter Art und Welse   z. B. als   gesteuerte Kondensatordurchführung ausgebildet sein. 



   Um das   Zwischenkühlmittel   (5) auf Hochspannung zu-bzw. ableiten zu können, müssen gemäss dem 
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    m) tte ! iso) ierstreckenkühlmittel   (5) muss ja durch eine auf Erdpotential befindliche Kühlanlage (16) als Rücklauf   rückgekühit,   d. h. z. B. Stickstoffdampf rückverflüssigt, sowie auch als flüssiger Vorlauf in den Behälter (8) gepumpt werden. Um das   Zwischenkühlmittel   (5) als Vorlauf auf hohe Spannung zu bringen, tritt es beispielsweise In der 
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   Durchführungsisolator   üblicher Bauart hineinreicht ; dieser Durchführungsisolator enthält In seiner zentralen Bohrung die auf Hochspannung gehaltene Leitung (6). Analog wäre der Zwischenkühlmittelrücklauf durch die Leitung (7) und Isolierstrecke (15) zu sehen.

   Geeignete Isolierstrecken wurden im Prinzip bereits mehrfach realisiert (siehe z. B. Cryogenics, December 1981. "TRANSPORT OF CRYOGENIC LIQUIDS OR GASES BETWEEN INSTALLATIONS AT DIFFERENT ELECTRICAL POTENTIALS", F.   Schauer,   S 735-739, insbesondere S. 738) und haben sich in der Praxis bewährt. Sie können leicht aus   industnell erhältlichen   Bauteilen zusammengefügt werden. 



  

Claims (3)

1. Patentansprüche 1. Kombinierte, aus einem Normalleiter und einem Hochtemperatursupraleiter mit Wärmesenke nahe deren Verbindungsstelle bestehende Stromeinführung für hohe Spannungen zu in einem Kryostaten befindlichen supraleitenden Einrichtungen, wobei die Stromeinführung von einem die Spannungsisola- tion sicherstellenden rohrförmigen Isolator umgeben ist, der an seiner Innenseite eine auf Hochspan- nung gehaltene leitfähige Schicht und an seiner Aussenseite eine geerdete leitfähige Schicht aufweist und derart die Spannungsbeanspruchung auf das Isolatormaterial beschränkt, dadurch gekennzeich- net, dass das die Wärmesenke speisende Zwischenkühlmittel (5) parallel zum Normalleiter (1) über thermisch isolierte Leitungen (6), (7) auf Hochspannung innerhalb des rohrförmigen Isolators (2), d. h. potentialgleich zur leitenden Schicht (12) geführt wird, und dass zur Spannungsiolation zwischen den Leitungen (6), (7) und der ausserhalb des Kryostaten (10) auf Erdpotential befindlichen Kühlanlage (16) eigene, ausserhalb des Kryostaten (10) angeordnete Zwischenkühlmittelisolierstrecken (14), (15) vorge- sehen werden. **WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.
2. 2. Kombinierte, aus einem Normalleiter und einem Hochtemperatursupraleiter mit durch flüssige Luft oder flüssigen Stickstoff gekühlter Wärmesenke nahe deren Verbindungsstelle bestehende Stromeinführung für hohe Spannungen zu in einem Kryostaten befindlichen supraleitenden Einrichtungen, wobei die Stromeinführung von einem die Spannungsisolation sicherstellenden rohrförmigen Isolator umgeben ist, der an seiner Innenseite eine auf Hochspannung gehaltene leitfähige Schicht und an seiner Aussenseite eine geerdete leitfähige Schicht aufweist und derart die Spannungsbeanspruchung auf das Isolatorma- <Desc/Clms Page number
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