CH484546A - Elektrische Energieerzeugungs- und Übertragungseinrichtung - Google Patents

Description

  Elektrische     Energieerzeugungs    - und     Übertragungseinrichtung       Die Erfindung betrifft eine elektrische     Energieer-          zeugungs-    und Übertragungseinrichtung für Gleich- oder       Wechselstrombetrieb,    die dadurch gekennzeichnet ist,  dass die Leiter des Stromerzeugers ohne Zwischen  schaltung von Transformatoren direkt mit mehreren  elektrisch parallel angeschlossenen, aus dicht nebenein  ander liegenden,     reinstmetallischen    oder     supraleitenden     Leitern bestehenden Leitungssträngen verbunden sind  und dass diese Leitungsstränge in einem tiefgekühlten  Kabel angeordnet sind,

   das als Übertragungsleitung vom  Stromerzeuger zu den Verbrauchern dient.  



  Unter Beachtung der natürlichen oder bisher künst  lich hergestellten Betriebsbedingungen haben sich für  Kraftwerksgeneratoren Spannungen bis zu etwa 15     kV     und Stromdichten von 3 -10     A/mm     und für die über  tragungsleitungen je nach den zu übertragenden Lei  stungen und Übertragungsentfernungen - durch Zwi  schenschaltung von Transformatoren erreichte - Span  nungen bis zu 400 (700)     kV    und Stromdichten von  3 -10     A/mmp        wirtschaftlich    als richtig gewählt erwie  sen.  



  Diese     BemessungsgrundIagen    erscheinen durch die  in jüngster Zeit eingetretene physikalisch-technische  Entwicklung heute nicht mehr gerechtfertigt.  



  Durch die Raketentechnik veranlasst, ist es gelun  gen, Tiefkühleinrichtungen betriebssicherer zu bauen als  bisher und - unter gleichzeitiger Anwendung neuartiger       KäIteisolationsverfahren-Räume    in der Grössenordnung  von     m3    unter geringerem Energieaufwand als bisher auf  tiefste in der Nähe des absoluten Nullpunktes liegende  Temperaturen zu bringen und dauernd auf solchen  Temperaturen zu halten.  



  Bei derartigen Temperaturen besitzen schon die bis  her benutzten Leiterbaustoffe     (Cu,    Al in reinster Form)  grössenordnungsmässig nur mehr etwa den     10 .Teil     ihres spezifischen Widerstandes bei normaler Tempera  tur, und die     ohmschen    Verluste bei Gleich- und     Wech-          selstrombelastung    sinken dementsprechend gegenüber  den Verlusten unter normalen Bedingungen im gleichen  Verhältnis ab, vorausgesetzt allerdings,

   dass     zur    Be-         grenzung    von     Skin-Effektverlusten    bei Wechselstrom  belastung die Leiter nicht zu dick und im Hinblick auf  freie     Weglängeneffekte    nicht zu dünn bemessen worden  sind.  



  Die bisher bekannten Supraleiter zeigen bei     Wech-          selstrombelastung    einen mit der magnetischen Feld  stärke in ihnen (und bei gegebenem Drahtdurchmesser  also auch mit dem Strom in ihnen) exponentiell anstei  genden     Wechselstromwiderstand    (s.     Fig.    1, in der die  Verlustwiderstände eines     NbZr-Drahtes    von 0,19 mm  als Funktion des Stromes (Feldes) wiedergegeben  sind).  



  Es wurde bereits vorgeschlagen (vgl. z. B. A. P.     Pip-          pard,        Electronics        and    Power,     June    1964), Transforma  toren nur teilweise mit     supraleitenden    Wicklungen aus  zurüsten und nur die sekundäre     supraleitende    Wick  lung des Kraftwerks- und die primäre     supraleitende     Wicklung des Verbrauchertransformators mit einem       supraleitenden    Kabel zusammen in einem gemeinschaft  lichen Tiefkühlsystem unterzubringen, während der Ge  nerator,

   die primäre Wicklung des Kraftwerks- und die  sekundäre Wicklung des Verbrauchstransformators mit  normalen     Leitern    ausgeführt und unter normalen Tem  peraturverhältnissen betrieben werden     (Fig.    2, s. die ge  strichelt angedeuteten, mit dem tiefgekühlten Kabel ein  System bildenden Tiefkühlgefässe C1     C.).    Ein- und Aus  führungsleitungen in bzw. aus     Kühlgefässe(n)    und da  mit die mit solchen Leitungen verbundenen Verluste  lassen sich so vermeiden.

   Die Herstellung von Trans  formatoren mit jeweils nur einer aus     supraleitenden     Drähten bestehenden auf tiefster Temperatur befind  lichen Wicklung bringt aber wegen der Notwendigkeit  der Vermeidung unzulässig hoher Felder in den Wick  lungsräumen (Gefahr des     Feldquenchens,    d. h. der Aus  löschung der     Supraleitfähigkeit)    und auch aus anderen       Gründen    Schwierigkeiten mit sich     (Wicklungsverma-          schung    kaum durchführbar, grosse Streuung usw.).  



  Es wurde auch versucht,     Transformatoren    mit tief  gekühlten normalleitenden Stromleitern aus     Reinstmetal-          len    zu bauen - bei denen eine Beeinträchtigung der      Leitfähigkeit durch Feldbeeinflussung nicht besteht   und sie in konventionellen Netzen zu verwenden (Pariser  Tagung der Firmen     Alsthom    und Air liquide, Oktober  1964). Das Problem der an den     Stromeinführungs-    und       Ausführungsstellen    auftretenden Verluste bleibt jedoch  auch bei solchen Transformatoren.  



  In     supraleitenden    tiefgekühlten     Energieübertra-          gungskabeln    ist es - schon unter Anwendung der bisher  verfügbaren Supraleiter - bei richtiger Bemessung der  Leiterquerschnitte (bei gleichen Gesamtverlusten wie in  konventionellen     Energieübertragungsleitungen)    möglich,  etwa hundertmal grössere Stromdichten bzw. Strom  stärken als in konventionellen Kabeln zu     verwenden.     



  Zur Übertragung gleicher Leistungen wie in kon  ventionellen Leitungen durch     supraleitende    Kabel rei  chen daher bei gleichen Leiterabmessungen Spannungen  aus, die     grössenordnungsmässig    nur etwa den hundert  sten Teil der Spannungen konventioneller     Obertragungs-          leitungen    (also     '!,oo    von 30     kV    bis etwa 1000     kV),    also  etwa die Spannungen konventioneller Synchrongenera  toren (3-10-15     kV)    betragen.

   Hochspannungstransfor  matoren im Zuge     supraleitender    Energieversorgungssy  steme erscheinen daher grundsätzlich überflüssig (Ersatz  der     bisherigen    Hochspannungstechnik durch eine Mit  telspannungshochstromtechnik     bzw,    durch eine Hoch  stromtechnik).

   Die am Verbraucherende mit der     Syn-          chrongeneratorspannung    (3-15     kV)    ankommende Lei  stung kann natürlich wie üblich über konventionelle  Transformatoren auf die jeweiligen einzelnen     Verbrau-          clierniederspannungen    der Stadt- oder     Industrieverbrau-          chernetze,    an denen nichts geändert werden braucht,  herunter transformiert werden.  



  Aus dem bisher Gesagten folgt, dass in den Leitern  tiefgekühlter     Energieerzeugungs-    und Übertragungsein  richtungen bei Gleich- und     Wechselstrombetrieb    viel  höhere Stromdichten und Stromstärken angewendet wer  den können als in den bisher konventionellen Einrich  tungen.  



  Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an  hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Bei  Gleichstrombetrieb wird vorgeschlagen, als Stromerzeu  ger     Unipolarmaschinen    mit Flüssigkeitskontakten oder       Hochstromgleichstrommaschinen    mit niedriger, etwa der  Verbraucherspannung entsprechender Spannung oder  Brennstoffelemente, die alle unter Normaltemperatur  betrieben werden können, zu verwenden (Maschine     UG     s.

       Fig.3).    Die Erregerwicklungen (Er) der Maschinen  könnten allenfalls jedoch auch aus     Reinstmetall-Leitern     bestehen, die unter Ausnützung des zur Tiefkühlung der       Energieübertragungsleitung    L dienenden     Kühlsystems     zwecks Einsparung von Erregerverlusten und Vermei  dung der     Stromeinführungsverluste    in die     Tiefkühlge-          fässe    gemeinsam mit der Übertragungsleitung auf tiefste  Temperatur gehalten werden (Kühlgefässe     Kü).    Die  Ausführung der Erregerwicklung aus tiefgekühlten  Supraleitern ist auch möglich.  



  Für die     Energieübertragungsleitung    werden entweder  tiefgekühlte Kabel mit Leitern aus     Reinstmetall    oder     -          waswegen    des völligen Verschwindens des Gleichstrom  widerstandes vorteilhafter erscheint - aus     supraleitenden     Werkstoffen, z. B. Al,     Pb,        Nb    und     NbZr    vorgeschlagen  (s.     Fig.    3 und 3a, in der der Querschnitt des tiefgekühl  ten Kabels angedeutet ist).

   Bei der Übertragung hoher  Leistungen in einer Übertragungsleitung mit     ynur    je  einem Hin- und Rückleiter, also einer Leiterschleife,  können nach dem     Durchflutungsgesetz    I=2     z    RH         (R=Leiterradius,        II=Feldstärke    am Leiterumfang,       I=Leiterstrom)    Feldstärken auftreten, die über der kri  tischen Feldstärke liegen, bei der     Feldquenchen,    d. h.  Verlust der     Supraleitfähigkeit    des Leitermaterials ein  tritt. Derartige Feldstärken müssen auch an den Leiter  oberflächen vermieden werden.

   Es erweist sich daher für  die Übertragung hoher Leistungen als notwendig, statt  einer Leiterschleife mehrere oder eine Vielzahl gegebe  nenfalls elektrisch parallel an den Generator angeschlos  sener Leiterschleifen im Kabel zu     verwenden    (s.     Fig.    3,  3a, 3b, 3c, in der der Übersichtlichkeit halber nur 2 par  allele Leiterschleifen im Kabel angedeutet sind), die je  einen entsprechenden Anteil des Gesamtstromes im Ka  bel führen und deren Hin- und Rückleiter durch     bifilare     oder     koax;

  ale        rInordnung    so dicht beieinander liegen,  dass eine gegenseitige magnetische Beeinflussung der  Leiterschleifen kaum (bei     bifilarer    Anordnung der     Hin-          und    Rückleiter gemäss     Fig.3b)    oder überhaupt nicht  (bei koaxialer Leiteranordnung gemäss     Fig.    3c) auftritt.  Die Stromdichten können so hoch gewählt werden, dass  bei     bifilarer    Anordnung an den Drahtumfängen die  halbe, bei koaxialer Anordnung der Leiter sogar die  volle kritische Feldstärke entsteht.

   Bei Anwendung dün  ner Drähte lassen sich dann Stromdichten bis zu etwa  1000-2000     A!mm-    erreichen, was zu platzsparenden  wirtschaftlichen Lösungen führt. Da     Stromwärmever-          luste    im Kabel nicht entstehen, sind die Kühlmaschinen  nur im Hinblick auf die an den     Kabelein-    und     -ausfüh-          rungsstellen    im Leerlauf und Betrieb auftretenden, be  reits erwähnten Verluste sowie die infolge der Unvoll  kommenheit der Wärmeisolation des Kabels selbst auf  tretenden Verluste zu dimensionieren.  



  Der Wirkungsgrad des mit Verbraucherspannung  arbeitenden Energieversorgungssystems ist deshalb hoch.  Am Verbraucher;     nde    ergibt sich die     Möglichkeit,    die  einzelnen aus dem Kabel austretenden Leiterschleifen  parallel     zii    schalten oder, was aus schalttechnischen  Gründen bei den grossen zu beherrschenden Strömen  günstiger erscheint, über individuelle Schalter den ein  zelnen Verbrauchern zuzuführen     (Lichtkraftnetz,    Elek  trizitätsanlagen).  



  In entsprechender Weise werden gemäss einer wei  teren Ausführungsform der Erfindung Energieversor  gungssysteme für     Wechselstrombetrieb    vorgeschlagen (s.       Fig.    4 und F     ig.    5). Die 3 Phasenausführungen     RST    einer  aus normal     gebauten    oder gegebenenfalls aus tiefge  kühlten Leitern aus     Reinstmetallen    bestehenden     Stän-          derwicklung    des Drehstromgenerators G (dessen Rotor  konventionell gebaut ist oder gegebenenfalls eine     supra-          leitende        Erregerwicklung    trägt)

   sind entweder unmittel  bar oder über Schalter mit einem oder mehreren parallel  angeordneten aus eng nebeneinander, gegebenenfalls  verdrillt oder koaxial ausgeführten     Leitungsstrang(Strän-          gen)    (Str. s.     Fig.    4, 4a, 4b) verbunden, die sich gegen  seitig kaum     bzw.    nicht magnetisch beeinflussen und ge  meinsam in einem tiefgekühlten Kabel K untergebracht  sind.

   Das im Falle der Anwendung tiefgekühlter     Stän-          derleiter    aus     Reinstmetallen    notwendige Tiefkühlgefäss       (T-    s.     Fig.        a)    kann dabei     vorteilhafterweise    mit dem       Tiefkühlsystem    des Kabels K     zusammengefasst    werden  (gestrichelt angedeutet), so dass die oben     erwähnten,    an  Einführungsstellen von Leitern in     Tiefkühlgefässen    auf  tretenden Verluste auf der Erzeugerseite ganz vermieden  werden können.

   Die verbraucherseitigen Enden der ein  zelnen im Kabel untergebrachten     Drelistromleitungs-          stränge    können entweder direkt oder über Schalter mit      einzelnen individuellen Verbrauchern verbunden     (Fig.    4)  oder zu einer gemeinsamen Sammelschiene geführt wer  den     (Fig.    4c). Analoge Einrichtungen lassen sich natür  lich auch bei der Erzeugung und Übertragung von       Wechselstromeinphasenenergie    verwenden.  



  Die Übertragung der mit niedriger     Generatorspan-          nung    erzeugten Energie erfolgt somit - im Gegensatz  zu konventionellen Einrichtungen - auch dann, wenn  grosse Übertragungsentfernungen zu     überwinden    sind  (ohne Anwendung von Hoch- bzw.     Höchstspannungs-          transformatoren)    mit der     Generatorspannung    und im  Vergleich mit konventionellen Anlagen sehr hohen  Stromdichten in den Leitungssträngen des     supraleiten-          den    Kabels.

   Die Anordnung einzelner sich magnetisch  gegenseitig kaum bzw. nicht beeinflussender Leiter  stränge macht eine gute Ausnützung des Kabelquer  schnittes     möglich,,und    die bei     Wechselstrombetrieb    auf  tretenden Verluste lassen sich durch entsprechende Aus  wahl der Stromdichten so beschränken, dass sich die  Energieübertragung durch das     supraleitende    Kabel wirt  schaftlich erweist. (Die     Fig.3b,    3c, 4a, 4b lassen er  kennen, dass sich jeder Leitungsdraht im Kabel nur im  eigenen oder allenfalls im eigenen und im Feld des  Nachbarleiters befindet.)       Fig.5    stellt eine andere Variante des Erfindungs  gedankens dar.

   Hier sind in der     Ständerwicklung    des  Generators einzelne parallel arbeitende Leiterstränge  vorgesehen, die mit den einzelnen Leitersträngen des       supraleitenden    Kabels direkt oder über Schaltorgane in  Verbindung stehen, wodurch sich eine grosse Unab  hängigkeit der einzelnen, am Verbraucherende zu ge  sonderten Verbrauchern führenden Leitungsstränge er  gibt. Eine Energieübertragung mit Verbraucherspan  nung wie bei den beschriebenen     Gleichstromübertra-          gungseinrichtungen    ist demnach auch für     Wechselstrom-          energieübertragungseinrichtungen    möglich. Als Hoch  stromgeneratoren können dabei z.

   B. auch Unipolar  maschinen mit     Wechselstromerregung    verwendet wer  den, deren     M'icklungen    aus tiefgekühlten normalleiten  den     Reinstmetali-Leitern    oder aus tiefgekühlten Supra  leitern und deren auf Normaltemperatur befindliche  Läufer aus     käfigartig    angeordneten Leitern bestehen  (s. österreichisches Patent Nr. 210 514). Die Anwen  dung von lamelliertem Blech im ganzen oder in Teilen  des     Magnetflussraumes    solcher Maschinen ist dabei be  sonders vorteilhaft. Kompensation des durch den Strom  hervorgerufenen     Rückwirkungsfeldes    in der Maschine  lässt sich im Gegensatz zu Turbogeneratoren leichter  erreichen.  



  Ein Vorteil der     Wechselstromenergieübertragung     durch     supraleitende    Kabel mit mittleren oder niedrigen  Spannungen gegenüber konventionellen Hochspan  nungskabelübertragungen ist durch den (wegen der ge  ringen Spannung)     fiiessenden    viel niedrigeren     kapazi-          tiven    Ladestrom gegeben.  



  Dank der Aufteilung auf viele parallel geschaltete  Leitungsstränge und der     bibilaren    bzw. koaxialen Lei  teranordnung lässt sich der induktive Spannungsabfall  bei den Kabeln ebenfalls begrenzen. Auch die sonst   besonders im Fall der     Gleichstromenergieübertragung      auftretenden Schaltungsprobleme lassen sich dank der  Aufteilung auf viele parallel geschaltete Leitungsstränge  besser beherrschen.  



  Zusammenfassend ist zu sagen, dass sich mit den  vorgeschlagenen Einrichtungen sowohl bei     Gleichstrom-          als    auch bei     Wechselstrombetrieb    eine besser angepasste  Energieerzeugung und Übertragung erreichen lässt, als    dies mit konventionellen Einrichtungen oder mit den  bisher vorgeschlagenen tiefgekühlten Einrichtungen  möglich ist.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Elektrische Energieerzeugungs- und Übertragungs einrichtung für Gleich- oder Wechselstrombetrieb, da durch gekennzeichnet, dass die Leiter des Stromerzeu gers ohne Zwischenschaltung von Transformatoren di rekt mit mehreren elektrisch parallel angeschlossenen, aus dicht nebeneinander liegenden reinstmetallischen oder supraleitenden Leitern bestehenden Leitungssträn gen verbunden sind und dass diese Leitungsstränge in einem tiefgekühlten Kabel angeordnet sind, das als Übertragungsleitung vom Stromerzeuger zu den Ver brauchern dient. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Elektrische Energieerzeugungs- und übertra- gungseinrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass sie zur Erzeugung und Übertragung von Gleichstrom mit der Verbraucherspannung ausgebildet ist. 2. Elektrische Energieerzeugungs- und übertragungs- einrichtung nach Unteranspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Stromerzeuger eine Unipolarmaschine mit Flüssigkeitskontakten ist. 3.

   Elektrische Energieerzeugungs- und übertra- gungseinrichtung nach dem Unteranspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerwicklungen der Stromerzeuger aus supraleitenden Leitern bestehen. 4. Elektrische Energieerzeugungs- und übertra- gungseinrichtung nach den Unteransprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgefäss, in dem sich die Erregerwicklungen befinden, mit dem Kühl raum des supraleitenden Übertragungskabels zusam mengeschlossen ist. 5.

   Elektrische Energieerzeugungs- und übertra- gungseinrichtung nach Patentanspruch, für Wechsel strombetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie übertragung mit der Spannung des Generators erfolgt. 6. Elektrische Energieerzeugungs- und übertra- gungseinrichtung nach Patentanspruch und Unteran spruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator eine Synchronmaschine oder Asynchronmaschine, z. B. ein ein- oder dreiphasiger Turbogenerator, ist. 7.

   Elektrische Energieerzeugungs- und übertra- gungseinrichtung nach Patentanspruch und Unteran sprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstromgenerator mehrere voneinander unabhän gige, miteinander aber gleichphasige Ständerwicklun- gen besitzt, die mit je mehreren oder je einem supralei- tenden Leitungsstrang im tiefgekühlten Kabel verbun den sind. B.

   Elektrische Energieerzeugungs- und übertra- gungseinrichtung nach Patentanspruch und Unteran sprüchen 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklungen des Generators aus tiefgekühlten, je doch nicht supraleitenden, metallischen Leitern beste hen. 9.

   Elektrische Energieerzeugungs- und übertra- gungseinrichtung nach Patentanspruch und Unteran spruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieer zeuger eine Wechselstromunipolarmaschine mit Wech- selstromerregerwicklungen ist. 10.

   Elektrische Energieerzeugungs- und übertra- gungseinrichtung nach Patentanspruch und Unteran spruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechsel- stromerregerwicklungen aus tiefgekühlten, jedoch nicht supraleitenden Leitern bestehen. 11. Elektrische Energieerzeugungs- und übertra- gungseinrichtung nach Patentanspruch und Unteran sprüchen 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge des magnetischen Flussraumes des Stromerzeugers lamellierte Blechpakete angeordnet sind. 12.

   Elektrische Energieerzeugungs- und Übertra gungseinrichtung nach Patentanspruch und Unteran spruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ströme in den einzelnen Leitersträngen des tiefgekühlten Kabels durch am Anfang und/oder Verbraucherende angeord nete individuelle Schaltorgane ein- und ausschaltbar sind. 13. Elektrische Energieerzeugungs- und übertra- gungseinrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass die Leiter bifilar verdrillt sind. 14.

   Elektrische Energieerzeugungs- und übertra- gungseinrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass die Leiter koaxial angeordnet sind.