CN107646134B - 用于直流电传输的设备和冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于直流电传输的设备，其具有超导的传输线路(3)和冷却设备，所述传输线路具有至少一个超导的导体元件(5)，所述冷却设备用于借助流体冷却剂(11)将传输线路(3)的径向内部区域(9)冷却至超导的导体元件(5)的转变温度以下的温度。超导的传输线路(3)具有真空绝缘的壳体(13)，用于将传输线路(3)的径向内部区域(9)与较热的外部环境热学隔离。冷却设备还包括至少一个馈送设备，用于在传输线路的端部区域处将冷却剂馈送到传输线路的内部区域中。传输线路的纵向延伸为至少20km并且在所述长度上不具有布置在轴向内部的、用于馈送冷却剂的馈送设备。本发明还涉及一种用于将这种设备中的超导的导体元件冷却至其转变温度以下的温度的方法，其中，流体冷却剂只在传输线路的一个或两个端部区域处馈送到传输线路的内部区域中。

Description

用于直流电传输的设备和冷却方法

本发明涉及一种用于直流电传输的具有带至少一个超导的导体元件的超导传输线路的设备和一种用于借助流体冷却剂将传输线路的径向内部区域冷却至超导的导体元件的转变温度(亦称“跃变温度”)以下的温度的冷却设备。本发明还涉及一种用于冷却这种设备中的超导的导体元件的方法。

存在对于在较长距离上低损耗地传输电流的传输线路的需求。在远距离的高电功率传输中，交流电线路越来越不合适，因为传输线路的自感导致较高的交流电损耗。因此，对于几十千米以上的距离，直流电传输线路更适合低损耗地传输较高的电功率。对于这种直流电传输，大多将可供使用的交流电整流，作为直流电传输并且接着借助逆变器站重新馈送到交流电网中。尤其由于与用电器距离较远的再生式产生的能量的不断提高的连接功率，对于这种在较长距离上传输较高电功率的设备的需求不断提高。为了能够传输这种高功率，将越来越高的电压用于直流电传输，例如额定电压为320kV或者525kV。传统的普通导电的线路的缺点在于其有限的承载电流的能力，这导致在很多情况下必须平行地铺设多条线路以传输所需的功率。这导致过高的成本并且也部分导致较大的空间需求。在设计为架空线时，单独的线路之间必须保持较大距离，以避免其间的电压击穿。在通过缆线连接的导体进行传输时，导体必须在缆线内部通过足够耐压的电介质相对于环境绝缘。这些绝缘的缆线通常作为铺设在水下的海底电缆和/或作为铺设在地下的电缆使用。在使用铜作为导体材料时，为了传输较大的电流需要较大的导体横截面，因此例如用于约3GW的功率的海底电缆通常已经作为分隔的线路铺设用于双极传输。为了节省成本有利的是，线路也能对于这样高的功率范围作为双极线路设计具有两个共同导引的导体。普通导电的传输线路用于高压直流电传输的另一缺点在于，所需的较厚的介电的绝缘层同时绝热。这种绝热效应与由于电损耗产生的热量相结合使得这些传输线路在较高的功率中距离升温，这可能导致材料、尤其是绝缘层损坏。因此，通过传输线路传输的功率通常也受到导体升温的限制。

为了解决这种直流电线路的较低电流承载能力的问题，建议了具有超导的导体元件的直流电线路，所述超导的导体元件能够几乎无损耗地并且以非常高的电流密度传输电流。然而，超导的导体元件必须在这些线路中通过附加的冷却设备冷却至超导体的转变温度以下的运行温度。所述运行温度根据超导材料的选择可能例如在4K至100K之间。在已知的超导传输线路中，通过流体冷却剂在封闭的循环中循环通过线路内部实现冷却。在此，对于10km以上的较大线路长度使用中间冷却站，以便将在线路的部分区段上升温的冷却剂再冷却并且重新馈送到线路内部。在此，沿着线路长度流动的冷却剂既由于与环境的热耦合也由于机械摩擦和剩下的电损耗而升温，使得从某个线路长度起在没有这种中间设置的冷却站的情况下不再能确保超导体的所需运行温度。这种中间冷却站的使用一方面导致相对较大的设备耗费。当在土地之上或之中铺设传输线路时可能尚能实现这种中间冷却站的安装，但在将较长的超导传输线路用作海底电缆时，这些中间冷却站由于需要安装在水下区域中而在技术和经济上完全不具有吸引力。

因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于直流电传输的设备，其克服了所述的缺点。尤其应提供一种设备，其以较低的设备耗费实现了在较远距离上的高电功率传输。

本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种用于冷却这种设备中的超导的导体元件的方法。

所述技术问题通过权利要求1所述的设备和权利要求15所述的方法解决。按照本发明的用于直流电传输的设备具有超导的传输线路，所述传输线路具有至少一个超导的导体元件和冷却设备，所述冷却设备用于借助流体的冷却剂将传输线路的径向内部区域冷却至超导的导体元件的转变温度以下的温度。超导的传输线路具有真空绝缘的壳体，用于将传输线路的径向内部区域与较热的外部环境热学隔离。此外，冷却设备包括至少一个馈送设备，用于在传输线路的端部区域处将冷却剂馈送到传输线路的内部区域中。传输线路具有至少为20km的纵向延伸并且在所述长度上不具有布置在轴向内部的、用于馈送冷却剂的馈送设备。

换而言之，传输线路最多只在其两个端部上具有这种馈送设备。在轴向内部区域中，也就是在沿纵向处于线路的两个端部之间的整个中间区域中，在线路内部没有布置用于馈送冷却剂的馈送设备。例如可以只在线路的一个端部上具有唯一的馈送设备，或者可以在线路的两个端部上具有总共两个馈送设备。

本发明的核心思想在于，超导的导体元件通过真空绝缘的壳体充分地与外部环境热隔离并且将电损耗和机械摩擦保持得足够低，以避免在线路的内部区段上设置中间冷却站。由于热隔离和较低的损耗，超导的导体元件在线路的整个长度上通过流体冷却剂的冷却效应保持在超导体的转变温度以下的运行温度处。这种超导的传输线路由此可以有利地作为海底电缆在水下使用。作为备选或补充，线路原则上也可以作为地下铺设的电缆和/或作为地上电缆铺设。在大于10km的长度上用作海底电缆通过按照本发明的设计方案才实现。相对于通过普通导电的传输线路进行直流电传输的设备的优点在于，通过这种按照本发明的设备可以实现非常高的电流承载能力。由此在中等电压范围内已经可以实现高功率的传输。此外，高功率可以有利地通过双极式线路传输，在所述线路中两个超导体共同地在真空绝缘件中导引。

用于将这种设备中的超导的导体元件冷却到其转变温度以下的温度的方法的特征在于，流体的冷却剂只在传输线路的一个或两个端部区域处馈送到传输线路的内部区域中。按照本发明的方法的优点与按照本发明的设备的优点类似地形成。

本发明的有利的设计方案和扩展设计由权利要求1的从属权利要求以及以下说明得出。在此，设备和方法的所述设计方案一般可以有利地相互结合。

传输线路可以有利地具有至少50km、尤其是至少100km的纵向延伸，并且在所述长度上不具有布置在轴向内部的馈送设备。

传输线路可以具有环形地包围超导的导体元件的冷却剂通道，用于沿着传输线路的纵向输送流体的冷却剂。冷却剂由此能够以简单的方式从具有馈送设备的第一线路端部向第二线路端部输送并且在此在传输线路的长度上有效地冷却其内部区域。在此，通过在外部环形地围绕导体的布置，冷却剂通道同时可以用于与外部环境的绝热和/或电绝缘。换而言之，在冷却剂通道中输送的流体冷却剂同时用作传输线路的介电的绝缘层。

传输线路可以具有环形地包围超导的导体元件的导电的线路屏蔽件并且在超导的导体元件与线路屏蔽件之间具有环形的介电的绝缘层，其中，所述介电的绝缘层包括流体的冷却剂。所述“环形的”结构一般地理解为这种结构，其在线路的横截面中环形地围绕处于更内部的区域并且沿着线路的纵向作为长条形的空心圆柱体结构延伸。它们尤其可以在线路的整个长度上延伸。环形的线路屏蔽件原则上可以设计为普通导电的和/或超导的。线路屏蔽件例如可以具有金属的导体，尤其是铜或者铝。线路屏蔽件例如可以设计为连续的均匀的圆柱形层，或者可以作为电导体的带或网卷绕在线路的处于更内部的元件上。至少通过所述冷却剂通道与导体元件分隔开的线路屏蔽件尤其可以是指从导体元件出发观察的第一个、也就是最靠内部的线路屏蔽件。

径向地布置在导体元件与线路屏蔽件之间的介电的绝缘层在本实施形式中至少部分地由流体冷却剂形成，这尤其可以是在环形的冷却剂通道中沿线路的纵向流动的冷却剂，其从线路的端部被馈送。这种实施形式的优点在于，在电压击穿的情况下，与固体电介质不同，绝缘层的由流体冷却剂形成的部分不会持久地损坏，因为这个部分可以被之后流过来的冷却剂代替。这种以冷却剂作为绝缘层的一部分的实施形式特别适用于具有中等电压范围的直流电传输，也就是例如电压在10kV至123kV之间，因为在这个电压范围中例如液氮和液态氢足够防止击穿。特别优选地用于在10kV至36kV之间的电压范围内进行直流电传输。

在所述实施形式中，冷却剂是导体元件与线路屏蔽件之间的介电的绝缘层的至少一部分，所述实施形式一般也可以在传输线路的长度低于20km时是有利的。在这种较短的线路中，冷却剂在环形的冷却剂通道中的所述双重效应也可以有利地用于在传输线路的较高防击穿强度的同时实现有效的冷却。

介电的绝缘层可以有利地具有至少20kV/mm的防击穿强度。其可以设计为防击穿的，使得通过所述设备能够在电压高于1kV和/或传输功率高于500MW时进行直流电传输，而在导体元件与线路屏蔽件之间不会出现电压击穿。特别有利的是，通过超导的导体元件进行的传输功率一般甚至可以高于3GW。每个导体元件传输的电流可以有利地为至少5kA，尤其是至少10kA，这与传输线路是单极或者多极的传输线路无关。

所述介电的绝缘层尤其可以主要由流体的冷却剂组成。换而言之，绝缘层的体积的主要部分通过流体的冷却剂形成。例如，介电的绝缘层可以基本上通过填充有冷却剂的环形的冷却剂通道形成，其中，空心圆柱形的通道除了冷却剂也可以具有附加的电绝缘的支撑元件，用于支撑线路的更靠内的元件。对于这种实施形式重要的是，传输线路具有径向连续的轴向部段和/或方位角部段，在所述部段中，介电的绝缘层完全由流体的冷却剂形成。在所述部段之间可选地存在的支撑元件可以设计为板条状。它们可以例如由精炼钢、玻璃纤维增强的塑料和/或浇注树脂构成。

所述介电的绝缘层也可以具有嵌入冷却剂的至少一层纸。在此，纸尤其可以由流体的冷却剂环流。纸可以有利地作为聚丙烯层压纸(简写为PPLP)存在，其防击穿强度特别高。这种PPLP层由聚丙烯薄膜层压或层合构成，所述聚丙烯薄膜在两侧与纤维素纸相邻。有利地，介电的绝缘层也可以具有由多个这种纸组成的叠，其中，单独的纸层分别由流体的冷却剂环流。在此，所述纸可以布置在线路的主冷却剂通道中，或者冷却剂可以平行于其在主冷却剂通道中的流动附加地在平行的第二冷却剂通道中环流所述纸。对于环形的冷却剂通道(其中由冷却剂环流的纸用于电介质绝缘)，可以有利地省去用于更靠内的元件的附加的板条状支撑结构，并且线路可以在整体上设计得比在借助单独支撑结构悬挂内部元件时在机械上更坚固。

如果介电的绝缘层由PPLP和流体的冷却剂组合而成，则可以有利地实现特别高的防击穿强度，并且用于直流电传输的设备可以例如在高于100kV、尤其高于320kV的额定电压中运行。这种额定电压通过至少在部分部段中只由流体冷却剂形成的介电的绝缘层只能很难地实现，因为例如液态氮或者液态氢的击穿电压不随着电极距离线性地升高：在电极距离翻倍时，防电压击穿强度只以接近1.6的因数提高。因此，在只通过流体冷却剂进行绝缘的情况下，电极距离在额定电压升高时必须超比例地提高，这同时提高了电场的不均匀性并且又导致局部的场强提高和由此导致更大的电极距离。因此，具有由纸层压材料和流体冷却剂的组合的绝缘层对于较高的电压范围是特别有利的。

所述流体的冷却剂可以在传输线路的内部至少在传输线路的纵向延伸的大部分上在壁光滑的管的内部导引。在此，壁光滑的管理解为这种管，所述管除了其表面的制造产生的自然粗糙度之外不具有规则的上位结构。所述管尤其应至少在所述大部分中不设计为波纹管。表面结构垂直于管的局部表面的幅度无论如何不应大于管的外部界限壁的壁厚。通过这种设计实现的是，将针对待输送的冷却剂的流动阻力保持较小并且将冷却剂的涡流减至最小。由此一方面可以实现冷却剂的足够高的质量流量，以便在较低的压力范围内也能确保在线路长度上所需的冷却效率。另一方面可以将由于涡流形成的机械摩擦损耗产生的升温保持较小。此外，与具有波纹状壳体的线路相比，在通过光滑管真空绝缘的线路中，热学作用的表面减小，这又降低了对冷却效率的要求。所述特征可以有利于实现在特别长的线路长度上对导体进行冷却，而不需要附加的处于轴向内部的中间冷却站。特别有利的是，冷却剂通道在传输线路的整个长度上通过壁光滑的管限定。

壁光滑的冷却剂管原则上具有的缺点是，在铺设传输线路时的机械灵活性较小。所述缺点可以通过以下方式补偿，即在各个具有壁光滑的界限管之间布置相对较短的具有波纹界限管的部段。由此仍可以通过在预设位置上的弯折实现线路的较高移动性。布置这些具有波纹冷却剂管的部段对于例如由于热学的膨胀或者收缩造成的线路长度补偿也是有利的。在所述波纹部段中的涡流仍能通过以下方式保持较小，即波纹状设计的外部冷却剂管通过插入的光滑管件加衬里，因此在所述光滑管件内部流动的冷却剂又能只形成较少的涡流。

所述超导的导体元件可以有利地包括高温超导材料。高温超导体(HTS)是转变温度高于25K的超导材料，并且在一些材料类别例如铜氧化物超导体中高于77K，其中，通过利用不同于液态氦的低温材料的冷却达到运行温度。HTS材料因此也特别有吸引力，因为所述材料取决于运行温度的选择可以具有非常高的临界电流密度。

所述高温超导材料尤其可以包括二硼化镁。特别有利的是，导体元件可以具有二硼化镁作为主要组成部分或者甚至基本上由二硼化镁构成。二硼化镁的转变温度约为39K并且因此适合用作高温超导体，但转变温度相对于其它HTS材料较低。所述材料相比陶瓷氧化物的高温超导体的优点在于其简单并且因此成本低廉的可制造性。基于二硼化镁的导体可以特别简单并且廉价地通过气溶胶沉积或者通过所谓的粉末装管法制造。

作为备选或补充，导体元件也可以包括其它高温超导的材料，例如第二代HTS材料，也就是REBa₂Cu₃O_x(缩写REBCO)类型的化合物，其中，RE表示稀土元素或者这些元素的混合物。REBCO超导体也可以基于其较高的转变温度通过液态氮冷却并且主要在低于77K的较低温度中具有特别高的电流承载能力。

其它有利的材料是第一代的HTS材料，例如铋锶钙铜氧化物的不同变型。备选地，也可以使用超导的磷属元素化物。基于其较低的转变温度，可以考虑针对约20至30K的运行温度使用超导的磷属元素化物。

特别有利的是，所述冷却设备可以只在传输线路的端部区域之一处具有用于馈送冷却剂的馈送设备。换而言之，传输线路可以设计为，使得从一个端部馈送的冷却剂就足够用于在线路的整个长度上将导体冷却至其运行温度。线路由此可以只具有一个冷却剂通道，其中冷却剂只沿一个方向、也就是从线路的馈送端部向另一端部输送。备选地，线路也可以具有两个冷却剂通道，通过所述冷却剂通道以封闭循环的形式再将冷却剂输送回具有馈送设备的线路端部。两个冷却剂通道在对置的端部处相宜地相互连接。

所述传输线路一般可以具有两个流体分离的冷却剂通道，用于沿相反的方向输送流体的冷却剂。这在只具有一个馈送设备的前述实施形式中和在每个线路端部处均有单独的馈送设备的实施形式中都是相宜的。在两种情况下，可以通过两个在传输线路中导引的冷却剂通道提供封闭的冷却剂循环，通过所述冷却剂能够以相同的物质输送沿来回的方向使冷却剂循环。备选地，这种封闭的循环也可以通过两个平行铺设的线路的耦连实现，所述线路例如分别只具有一个冷却剂通道并且其中之一用于将冷却剂输送过去，另一个冷却剂通道用于将冷却剂输送回来。

在具有两个处于传输线路中的流体分离的冷却剂通道的实施形式中，所述冷却剂通道可以相互嵌套或者并排地延伸。在嵌套的设计中，所述冷却剂通道可以有利地共轴布置。备选地，也可以在外部的冷却剂通道内布置两个离心的内部冷却剂通道。

所述传输线路可以设计为双极的线路，所述线路在共同的真空绝缘的壳体内部具有两个彼此电绝缘的超导的导体元件。由此可以特别有利地只通过唯一一个双极线路传输直流电，这相对于使用两个单极线路节省了材料和线路的铺设。通过所述介电的绝缘层的较高防击穿强度、尤其通过将冷却剂用作绝缘子，能够将两个导体元件嵌入共同的线路中。两个导体极在共同的真空绝缘线路中的布置也降低了总体出现的热损耗并且由此降低了用于冷却的耗费，因为线路的造成热损耗的总表面积相比具有两个分隔开的真空绝缘线路的设计更小。在共同的真空绝缘的线路壳体中布置两个极尤其在不超过约123kV的额定电压时是特别有利的，因为在所述范围内可以通过冷却剂特别简单地实现电绝缘。

这种双极式线路的两个导体元件原则上可以并排地或者共轴地彼此嵌套地导引。

所述传输线路一般可以具有两个彼此共轴地延伸的冷却剂通道。如前所述，所述冷却剂通道可以设计用于沿相反的方向输送冷却剂。但冷却剂原则上也可以在两个通道中沿相同的方向输送。往回的输送例如可以在另一个传输线路中进行，或者也可以在给定的输送方向上进行冷却剂的纯物质输送。两个同中心地延伸的冷却剂通道也可以例如用不同的流体冷却剂填充。

具有两个彼此嵌套的冷却剂通道的实施形式的本质上的优点在于，可以用比在传统线路中更小的质量流量运行内部的第一冷却剂通道，因为在外部的第二冷却剂通道中的冷却剂可以吸收大部分从外部出现的热负荷，尤其是热辐射。以此方式，在线路长度上在内部的冷却剂通道中只引起较小的冷却剂升温，并且超导的导体元件可以在整个线路长度上保持在其转变温度以下的温度。在此，对于外部的冷却剂通道允许比内部的冷却剂通道明显更高的温度。因此，当只在传输线路的一个端部处馈送冷却下来的新鲜冷却剂时，所述实施形式特别好地适用于将来自内部通道的在线路长度上升温的冷却剂在外部的冷却剂通道中往回向冷却设备和馈送设备输送。内部和外部的冷却剂通道可以有利地通过附加的真空绝缘的壳体热学地彼此分隔开。

流体的冷却剂可以有利地具有氮、氢、氦和/或氖。冷却剂尤其可以完全由这些物质之一组成。在此，冷却剂一般能够以液态、气态和/或超临界的状态存在。在此，冷却剂的选择可以相宜地与所选的超导体的期望运行温度适配。例如第二代的HTS材料可以良好地通过液氮冷却，而二硼化镁可以特别有利地通过液态的或者超临界的氢冷却。使用超临界的冷却剂、尤其是超临界的氢是特别有利的，因为在这种状态下，排除了由于冷却剂的沸腾在冷却剂通道中形成起泡的可能性并且由此提高了在使用冷却剂作为介电的绝缘件时的防电压击穿强度。超导的导体元件的运行温度例如在通过氢冷却时处于20至35K之间或者在通过氮冷却时处于65至80K之间。

作为对真空绝缘的壳体的补充，传输线路的内部区域可以通过多层式的超绝缘件与外部环境热学隔离。所述超绝缘件可以例如布置在真空绝缘的壳体内部。然而作为备选或补充，这种超绝缘件也可以处于其它径向位置上。

线路屏蔽件可以作为单独的导电层布置在真空绝缘的壳体内部，或者其可以设计为真空绝缘的壳体的一部分。为此，例如真空绝缘的低温恒温器的导电内壁可以用作线路屏蔽件。

冷却剂通道可以有利地布置在电导体与线路屏蔽件之间，以便将在冷却剂通道中流动的冷却剂同时用作介电的绝缘层。然而作为备选或补充，也可以将冷却剂通道布置在线路屏蔽件与真空绝缘的壳体之间。这种附加的外部冷却剂通道可以如上所述地用于附加地使内部冷却剂通道与较热的外部环境热学隔离。

线路的一个或多个冷却剂通道中的压力一般有利地为最高20bar，特别有利地为最高5bar。所述在大部分光滑的管中的冷却剂输送的实施形式实现了在所述压力范围内通过冷却剂馈送对线路的内部区域进行充分的冷却。

在用于冷却超导的导体元件的方法中，传输线路可以有利地用于沿着线路的纵向对冷却剂进行物质输送。为此，沿着传输线路的第一方向输送的冷却剂量可以大于沿着线路的相反的第二方向输送的量。所述方法的这种实施形式尤其可能在以下情况下是有用的，即超导的传输线路除了直流电传输之外还应用于传输通过电解获得的氢。由此，通过线路总共传输的、形式为电能和化学能的功率相比单纯的电流传输显著提高。

以下参照附图根据优选的实施例描述本发明。在附图中：

图1以示意性横截面示出按照第一实施例的传输线路；

图2以示意性纵截面示出按照第二实施例的传输线路；

图3示出按照第三实施例的用于电流传输的设备的原理图；

图4以示意性横截面示出按照第四实施例的传输线路；

图5以示意性横截面示出按照第五实施例的传输线路；

图6示出按照第六实施例的用于电流传输的设备的原理图；

图7示出按照第七实施例的用于电流传输的设备的原理图；

图8以示意性横截面示出按照第八实施例的传输线路；

图9以示意性横截面示出按照第九实施例的传输线路；

图10以示意性横截面示出按照第十实施例的传输线路；

图11示出按照第十一实施例的用于电流传输的设备的原理图并且

图12以示意性横截面示出按照第十二实施例的传输线路。

在图1中示出按照本发明的第一实施例的用于直流电传输的设备中的传输线路3的示意性横截面。显示了布置在线路3的中心的超导的导体元件5，其例如可以具有超导丝或者普通导电的或者不导电的带有高温超导层的基底。超导的导体元件5在此可以由不同材料构成并且具有不同的导体形状。超导的导体元件例如也可以由单独的超导导体的多条细丝组成。超导的导体元件5的超导材料通过流体的冷却剂11冷却，所述冷却剂在环形地围绕导体元件5的冷却剂通道25中流动。流体的冷却剂11可以例如是指液态氮或者液态的或超临界的氢，其在布置于线路3外部的冷却单元中被冷却至低温并且从线路3的端部馈送至径向内部区域9中。流体的冷却剂11将超导的导体元件5冷却至超导体的转变温度以下的运行温度。

超导的导体元件5通过支撑元件39保持在线路3的中心，由此确保环绕导体元件5与线路的壳体具有最小距离。冷却剂通道25在径向外部由真空绝缘的双壁式的壳体13包围，所述壳体使径向内部区域与较热的外部环境15热学隔离。真空绝缘的壳体13用作线路内部区域的低温恒温器。至少低温恒温器内壁37在本实施例中具有导电材料并且同时用作线路屏蔽件29。介电的绝缘层31沿径向布置在超导的导体元件5与线路屏蔽件29之间，所述介电的绝缘层在本实施例中通过流动的冷却剂11以及布置在确定位置上的板条状的电绝缘的支撑元件39构成。介电的绝缘层31总体上针对传输线路3在直流电传输设备中的额定电压具有足够高的防击穿强度。

图2以示意性纵截面示出按照本发明的第二实施例的电流传输设备的传输线路3。线路3的横截面例如可以与图1所示的线路类似地构造。在图2的纵截面中可以看出，真空绝缘的壳体13在线路3的纵向延伸的大部分上具有无波纹的低温恒温器内壁37。在两个区段43中，真空绝缘的壳体13设计为光滑的无波纹的管。这甚至可以有利地在传输线路的整个长度上实现。可选地，线路也可以具有一个或多个波纹部段41，如图2所示。在所述波纹部段中，真空绝缘的壳体具有波纹状轮廓，这既在延长或者镦压也在该区域内的弯折方面提高了线路的机械灵活性。为了仍能实现在冷却剂通道25中流动的冷却剂11的尽可能低的流动阻力和尽可能小的涡流，低温恒温器内壁37在所述部段中通过壁光滑的管嵌件45加衬里。

图3示出按照本发明第三实施例的直流电传输设备的示意性原理图。所述设备1具有两个传输线路3a、3b，它们例如可以与图1和图2所示类似地构造。这两个线路尤其可以分别设计为单极线路，它们分别只具有一个电导体束。通过使用两个线路传输电流，实现了双极式的直流电传输。电流传输设备具有冷却设备7，其在本实施例中具有两个分隔开的冷却单元18，在所述冷却单元中，流体的冷却剂11在线路的冷却通道中升温之后又冷却下来。每个传输线路具有至少20km的总长度21。两个线路3a和3b中的每一个在其两个端部之一上具有馈送设备17，用于将通过冷却单元18冷却下来的冷却剂馈送到相应线路的径向内部区域中。在所示实施例中，两个线路3a和3b中的每一个只具有一个馈送设备17，对于线路3a在第一端部区域19a处布置有馈送设备，并且对于线路3b在对置的第二端部区域19b上布置有馈送设备。在轴向内部区域23和分别对置的线路端部处，两个线路不具有这种馈送设备。在本实施例中，流体的冷却剂11在封闭的循环中循环经过两个线路3a和3b的冷却剂通道、两个冷却单元18以及布置于其间的冷却剂管47和馈送设备17。冷却剂在两个线路中的流动方向27a和27b彼此相反。通过线路3a和3b的径向内部区域9的热学隔离，其相应的超导的导体元件在线路的整个长度延伸21上保持在超导体的转变温度以下的运行温度处。

图4以示意性横截面示出按照本发明的第四实施例的电流传输设备的传输线路3。显示了双极线路3，其具有两个分隔开并且彼此电绝缘的超导的导体元件5a和5b。线路3在其余部分与图1和图2所示的单极线路类似地构造。两个导体元件5a和5b在此也通过板条状的支撑元件39相对彼此支撑并且支撑在真空绝缘的壳体13上。如图4所示，所示支撑结构39可以共同地支撑两个导体元件5a和5b。备选地，也可以针对两个导体元件设置分隔开的支撑结构。一般有利的是，两个导体元件相对于线路的中心轴线尽可能对称地布置。在第四实施例中，导体元件5a和5b也分别由介电的绝缘层31包围，所述绝缘层将导体元件彼此间并且相对于处于外部的线路屏蔽件29电绝缘。所述绝缘层31也大部分地由在冷却剂通道25中流动的冷却剂11与电绝缘的支撑元件39共同作用地形成。这种双极传输线路3可以用于在只具有唯一一条这种线路的设备中传输直流电。

作为对这种双极线路的备选，原则上也可以将如图1和图2所示的简单的单极线路用于传输直流电。因为超导的传输线路主要在中等和较高的电压范围内可以在非常高的额定电流中运行，所以也可以取代双极线路使用额定电流翻倍的单极线路，并且电流方向相反的返回导体可以例如通过土地、水和/或低电压线路构成。

图5示出用于按照本发明第五实施例的电流传输设备的传输线路3的示意性横截面。显示的是只具有一个超导的导体元件5的单极线路，类似于图1。然而与之不同的是，图5所示的传输线路具有两个冷却剂通道，其中第一冷却剂通道25a与第一实施例中类似地布置在导体元件5与线路屏蔽件29之间。线路屏蔽件29也设计为内部的真空绝缘的壳体13a的低温恒温器内壁37a。在按照第五实施例的线路中，壳体由环形的第二冷却剂通道25b包围，所述第二冷却剂通道本身由环形的外部的真空绝缘的壳体13b包围。通过布置两个同中心的冷却剂通道25a和25b，能够将内部的导体元件5特别好地相对于较热的外部环境15热学隔离。在此，两个冷却剂通道25a和25b中的流动方向原则上既可以相同也可以相反。相反的流动方向的优点在于，由此能够以简单的方式通过单独的线路实现冷却剂的封闭循环。

图6示出按照本发明第七实施例的电流传输设备1的示意性原理图。所述设备具有单独的传输线路3，其可以例如与图5类似地设计为具有两个同中心的冷却剂通道25a和25b的单极线路。作为备选，线路也可以设计为具有两个同中心的冷却剂通道25a和25b的双极线路。其可以是指具有两个处于内部的导体元件5a和5b的传输线路，与图4类似，但也可以类似于图5地由两个同中心的真空绝缘的壳体13a和13b和两个同中心的冷却剂通道25a和25b包围。重要的是，传输线路具有用于沿第一流动方向输送冷却剂的第一冷却剂通道25a和用于沿相反的第二流动方向输送冷却剂的第二冷却剂通道25b。电流传输设备1也具有冷却设备7，其在本实施例中也包括两个冷却单元18，用于冷却在线路内部升温的流体冷却剂11。两个冷却单元布置在两个对置的线路端部19a和19b上。每个所述线路端部具有用于将冷却剂馈送到线路内部区域中的馈送设备17。在此，一个馈送设备17在第一端部区域19a处于内部的冷却剂通道25a流体连接，并且另一个馈送设备17在第二端部区域19b处与外部的冷却剂通道25b流体相连。通过这种对流原理，一方面可以在线路的长度21上形成封闭循环，另一方面通过在两个端部上借助冷却单元18的重新冷却实现了在线路长度21上的相对均匀的温度分布。这尤其可以在线路的轴向内部区域23中没有附加的冷却单元和馈送设备的情况下实现。

图7示出按照本发明的第七实施例的备选的直流电传输设备1的原理图。显示的是只具有唯一的线路3的设备，其可以设计为单极线路或者双极线路。与图6类似地，所述线路也具有两个同中心的冷却剂通道25a和25b。然而与图6的实施例的不同之处在于，在此只在线路的第一端部区域19a处布置有用于将冷却剂11馈送到线路内部的馈送设备17。在所示实施例中，冷却剂在此首先馈送到内部的冷却剂通道25a中，由此使较冷的冷却剂更靠近内部的导体元件5地流动。然而，原则上两个冷却剂通道25a和25b的通流顺序也可以是相反的。在对置的第二端部区域19b上，内部的冷却剂通道25a与外部的冷却剂通道25b流体相连，因此在此也形成了封闭的冷却剂循环，但在本实施例中没有第二馈送设备。流体连接可以如图7所示通过外部的冷却剂管47实现，备选地也可以在线路内部通过两个冷却剂通道之间的开口实现。重要的只是两个冷却剂通道在与馈送设备17对置的端部区域中相互连接。

图8示出按照本发明的第八实施例的线路3的示意性横截面。显示的是双极线路，其具有两个超导的导体元件5a和5b，与图4的实施例类似。然而与第四实施例的区别在于，在此所述两个导体元件5a和5b中的每一个配属于单独的线路屏蔽件29并且与之布置在共同的冷却剂通道25b内部。所述共同的冷却剂通道25b又由共同的外部的真空绝缘的壳体13包围，然而所述壳体在本实施例中不设计为主要的线路屏蔽件，换而言之不用作最内部的线路屏蔽件。在单独的导体元件5与相应的线路屏蔽件29之间分别布置有横截面呈环形的独有的介电的绝缘层31。绝缘层31分别同中心地包围对应的导体元件5a或者5b。在本实施例中，两个绝缘层31中的每一个包括由PPLP制成的层压材料的多层结构33，其分别嵌入内部的冷却剂通道25a中。流体的冷却剂11同样在两个内部的冷却剂通道中流动并且在此环流纸层33。在本实施例中，相应导体束的介电的绝缘层31并不是接近完全地、而是只部分地由流动的冷却剂形成。其余部分通过纸层33形成，所述纸层同时是分别用于布置在内部的导体元件5a或者5b的支撑结构。在按照图8的传输线路中，冷却剂在内部的冷却剂通道25a中和在共同的外部冷却剂通道中的流动方向优选是相反的。由此可以例如将这种线路用在与图6或者图7类似的设备中。

图9示出按照本发明的第九实施例的单极传输线路3的示意性横截面。线路3的结构与图8所示的线路非常相似，但其只具有一个超导的导体元件5，其在径向上布置在线路的中心。在此，导体元件5也由介电的绝缘层31包围，所示绝缘层通过纸层33的结构与在内部冷却剂通道25a中围绕纸层33流动的流体冷却剂11的共同作用形成。介电的绝缘层31的径向外部布置有包围绝缘层的线路屏蔽件29，其又由外部冷却剂通道25b并且更靠外地由真空绝缘的壳体13包围。

图10示出按照本发明的第十实施例的单极线路3的示意性横截面。导体元件5、介电的绝缘层31和线路屏蔽件29的相对布置与第九实施例中类似。介电的绝缘层31的结构也与前述实施例相似地通过纸层与流动的冷却剂的结合实现。然而与前述实施例的不同之处在于，在此在导体元件5的内部布置有附加的冷却剂通道。在此总共形成三个冷却剂通道，其中第一冷却剂通道25a布置在线路的中心，第二冷却剂通道25b通过纸层33加衬里并且径向地包围导体元件5，并且第三冷却剂通道25c径向地布置在线路屏蔽件29与真空绝缘的壳体13之间。彼此嵌套的冷却剂通道中的流动方向也可以交替地交换。与图10类似的结构原则上也可以考虑用于双极线路，其中每个导体元件在内部被附加的冷却剂通道贯穿。

图11示出按照本发明的第十一实施例的直流电传输设备的原理图。显示的也是只具有单独的传输线路3的设备，所述传输线路例如可以按照所示的不同线路横截面构造。由此所述线路一般可以单极或者双极地设计，并且其可以具有一个或多个冷却剂通道。用于冷却至少一个导体元件的冷却设备7在线路的端部区域19a处具有至少一个馈送设备18，但也可以在两个端部区域上具有馈送设备。对于第十一实施例重要的是，沿着线路的纵向进行冷却剂的纯物质输送。在所示实施例中指的是沿着第一流动方向27a从线路的第一端部区域19a向第二端部区域19b的物质输送。附加地也可以同时存在沿相反的流动方向27b的物质输送，但是其在所示实施例中小于沿第一流动方向27a的物质输送。换而言之，用于直流电传输的设备同时可以用于沿着线路3传输冷却剂。对于物质输送重要的第一流动方向27a尤其可以与电能的传输方向49相同。这特别有利于从有较多能量可供使用的位置向另一位置输送电能和通过电解产生的氢。

图12示出按照本发明的第十二实施例的另一传输线路3的示意性横截面。显示的是具有两个导体元件5a和5b的双极线路，所述导体元件与图5类似地具有两个同中心的真空绝缘的壳体13a和13b，其中，在内部壳体13a内部布置有内部冷却剂通道25a，并且在两个壳体之间布置有外部冷却剂通道25b。与线路横截面的之前所示的实施例的不同之处在于，两个导体元件分别通过作为绝缘层31的固体电介质与其相应的最内部的线路屏蔽件29电绝缘。内部冷却剂通道25a共同地包围两个这样绝缘并且屏蔽的线路束。利用这种结构也可以通过冷却剂通道和真空绝缘壳体的相互嵌套的布置实现导体元件的较高的热学和电学的屏蔽。

Claims (11)

1.一种用于直流电传输的设备(1)，具有

-超导的传输线路(3),所述传输线路具有至少一个超导的导体元件(5)，和

-冷却设备(7)，所述冷却设备用于借助流体的冷却剂(11)将传输线路(3)的径向内部区域(9)冷却至超导的导体元件(5)的转变温度以下的温度，

-其中，超导的传输线路(3)具有真空绝缘的壳体(13)，用于将传输线路(3)的径向内部区域(9)与较热的外部环境(15)热学隔离，

-其中，冷却设备(7)包括至少一个馈送设备(17)，用于在传输线路(3)的端部区域(19a)处将冷却剂(11)馈送到传输线路(3)的径向内部区域(9)中，

-其中，传输线路(3)在至少为20km的轴向纵向延伸(21)中不具有布置在轴向内部的、用于馈送冷却剂的馈送设备，

-其中，传输线路(3)具有环形地包围超导的导体元件(5)的导电的线路屏蔽件(29)并且

-在超导的导体元件(5)与线路屏蔽件(29)之间具有环形的介电的绝缘层(31)和

-至少一个环形地包围超导的导体元件(5)的冷却剂通道(25a、25b)，用于沿着传输线路(3)的纵向输送流体的冷却剂(11)，

-其中，介电的绝缘层(31)基本上通过填充有冷却剂的环形的冷却剂通道形成，

-其中，设有径向连续的轴向部段和/或方位角部段，在所述轴向部段和/或方位角部段中，介电的绝缘层完全由流体的冷却剂形成。

2.按权利要求1所述的设备(1)，其中，所述介电的绝缘层(3)具有至少20kV/mm的防击穿强度。

3.按权利要求1所述的设备(1)，其中，所述介电的绝缘层(31)具有嵌入冷却剂(11)的至少一层纸(33)。

4.按权利要求1所述的设备(1)，其中，所述流体的冷却剂(11)在传输线路(3)的内部至少在传输线路的纵向延伸的大部分上在壁光滑的管(35)的内部导引。

5.按权利要求1所述的设备(1)，其中，所述超导的导体元件(5)包括高温超导材料。

6.按权利要求5所述的设备(1)，其中，所述高温超导材料包括二硼化镁。

7.按权利要求1所述的设备(1)，其中，所述冷却设备(7)只在传输线路(3)的端部区域之一(19a)处具有用于馈送冷却剂(11)的馈送设备(17)。

8.按权利要求1所述的设备(1)，其中，所述传输线路具有两个流体分离的冷却剂通道(25a、25b)，用于沿相反的方向(27a、27b)输送流体的冷却剂(11)。

9.按权利要求1所述的设备(1)，其中，所述传输线路(3)设计为双极的线路，所述双极的线路在共同的真空绝缘的壳体(13)内部具有两个彼此电绝缘的超导的导体元件(5a、5b)。

10.按权利要求1所述的设备(1)，其中，所述传输线路(3)具有两个彼此共轴地延伸的冷却剂通道(25a、25b)。

11.按前述权利要求之一所述的设备(1)，其中，所述流体的冷却剂(11)包括氮、氢、氦和/或氖。