DE102017206915A1 - Apparatus and method for high power DC transmission - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung (1) zur Gleichstromübertragung mit einer supraleitenden Übertragungsleitung (3,3a) angegeben, wobei die Übertragungsleitung (3)- eine vakuumisolierte Hülle (13) zur thermischen Trennung eines radial innenliegenden Bereichs (9) der Übertragungsleitung (3) von einer äußeren Umgebung (15) und- eine Mehrzahl n supraleitender Leiteradern (5) aufweist, welche gemeinsam innerhalb der vakuumisolierten Hülle (13) angeordnet sind,- wobei die Vorrichtung (1) wenigstens eine Anzahl n an Stromrichtern (6a,6b) aufweist, wobei jeder der supraleitenden Leiteradern (5) oder jeder Gruppe zusammengefassten Leiteradern (5) zumindest ein Stromrichter (6a,6b) zugeordnet ist,- und wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgestaltet ist, mehrere gemeinsam innerhalb der Hülle (13) geführte Leiteradern (5) mit einem Gleichstrom von untereinander gleicher Polarität zu beaufschlagen.Weiterhin wird ein Verfahren zur Übertragung von Gleichstrom mit einer derartigen Vorrichtung angegeben, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt der Einspeisung von Strom gleicher Polarität in mehrere innerhalb der gemeinsamen Hülle (13) geführten Leiteradern (5) der supraleitenden Übertragungsleitung (3).It is a device (1) for DC transmission with a superconducting transmission line (3,3a), wherein the transmission line (3) - a vacuum-insulated sheath (13) for thermal separation of a radially inner portion (9) of the transmission line (3) of a outer environment (15) and - a plurality n superconducting conductor wires (5) which are arranged together within the vacuum-insulated sheath (13), - wherein the device (1) at least a number n of power converters (6a, 6b), wherein each of the superconducting conductor cores (5) or each group of combined conductor cores (5) is assigned at least one power converter (6a, 6b), and wherein the device (1) is configured to carry a plurality of conductor cores (5) guided together within the sheath (13) ) are supplied with a direct current from one another with the same polarity. Furthermore, a method for transmitting direct current is specified with such a device characterized by the step of feeding current of the same polarity into a plurality of conductor wires (5) of the superconducting transmission line (3) guided within the common sheath (13).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gleichstromübertragung mit einer supraleitenden Übertragungsleitung, wobei die Übertragungsleitung eine vakuumisolierte Hülle zur thermischen Trennung eines radial innenliegenden Bereichs der Übertragungsleitung von einer äußeren Umgebung aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Übertragung von Gleichstrom mit einer derartigen Vorrichtung.The present invention relates to a DC transmission apparatus having a superconducting transmission line, the transmission line having a vacuum-insulated shell for thermally isolating a radially inner portion of the transmission line from an external environment. Furthermore, the invention relates to a method for transmitting direct current with such a device.
Es besteht ein Bedarf an Übertragungsleitungen für eine verlustarme Stromübertragung über lange Distanzen. Bei der Übertragung hoher elektrischer Leistungen über größere Distanzen sind Wechselstrom-Leitungen zunehmend ungeeignet, da die Eigeninduktivität der Übertragungsleitungen zu hohen Wechselstromverlusten führt. Für Distanzen oberhalb von einigen 10 km sind daher Gleichstromübertragungsleitungen besser geeignet, um höhere elektrische Leistungen verlustarm zu übertragen. Für eine solche Gleichstromübertragung wird meist ein zur Verfügung stehender Wechselstrom gleichgerichtet, als Gleichstrom übertragen und anschließend mittels Wechselrichterstationen erneut ins Wechselstrom-Netz eingespeist. Insbesondere durch die steigende Anschlussleistung regenerativ erzeugter Energie fernab von den Verbrauchern wächst der Bedarf für solche Vorrichtungen zur Übertragung hoher elektrischer Leistungen über längere Distanzen. Um diese hohen Leistungen mit normalleitenden Leitungen übertragen zu können, werden nach dem Stand der Technik zunehmend höhere Spannungen für die Gleichstromübertragung verwendet, beispielsweise Nennspannungen von 320 kV oder 525 kV. Ein Nachteil von herkömmlichen, normalleitenden Leitungen ist deren begrenzte Stromtragfähigkeit, was dazu führt, das in vielen Fällen mehrere Leitungen parallel verlegt werden müssen, um die erforderliche Leistung zu übertragen. Dies führt zu hohen Kosten und zum Teil auch zu einem hohen Platzbedarf. Bei einer Ausführung als Freileitung müssen große Abstände zwischen den einzelnen Leitungen eingehalten werden, um Spannungsüberschläge dazwischen zu vermeiden. Bei einer Übertragung über kabelgebundene Leiter müssen die Leiter innerhalb der Kabel über ausreichend spannungsfeste Dielektrika gegenüber der Umgebung isoliert werden. Solche isolierten Kabel werden typischerweise als unter Wasser verlegte Seekabel und/oder als unterirdisch verlegte Kabel eingesetzt. Ein Nachteil von normalleitenden Übertragungsleitungen für die Hochspannungs-Gleichstromübertragung ist, dass die benötigten dicken dielektrischen Isolationsschichten gleichzeitig thermisch isolierend wirken. Durch diese Isolationswirkung, kombiniert mit der Wärmeentwicklung durch elektrische Verluste heizen sich solche Übertragungsleitungen bei höheren Leistungen stark auf, was zu einer Beschädigung der Materialien, insbesondere der Isolationsschicht führen kann. Die durch eine Übertragungsleitung übertragene Leistung ist daher oft auch durch die Erwärmung des Leiters limitiert.There is a need for transmission lines for low-loss power transmission over long distances. In the transmission of high electrical power over longer distances AC lines are increasingly unsuitable because the self-inductance of the transmission lines leads to high AC losses. For distances in excess of a few tens of kilometers, therefore, DC transmission lines are more suitable for transmitting higher electrical power with less loss. For such a DC transmission usually an available alternating current is rectified, transmitted as DC and then fed by inverter stations again into the AC grid. In particular, as a result of the increasing connected load of regeneratively generated energy far away from the consumers, the demand for such devices for the transmission of high electrical power over longer distances is increasing. In order to be able to transmit these high powers with normally conducting lines, increasingly higher voltages are used for the DC transmission according to the prior art, for example nominal voltages of 320 kV or 525 kV. A disadvantage of conventional, normally-conductive lines is their limited current-carrying capacity, which leads to the fact that in many cases several lines must be laid in parallel in order to transmit the required power. This leads to high costs and sometimes also to a high space requirement. In an embodiment as an overhead line, large distances between the individual lines must be maintained in order to avoid flashovers in between. When transmitting via wired conductors, the conductors within the cables must be isolated from the environment using sufficient voltage-resistant dielectrics. Such insulated cables are typically used as submersible submarine cables and / or subterranean cables. A disadvantage of normally-conductive transmission lines for high-voltage direct-current transmission is that the required thick dielectric insulation layers simultaneously act thermally insulating. By means of this insulating effect, combined with the heat generation by electrical losses, such transmission lines heat up strongly at higher powers, which can lead to damage of the materials, in particular of the insulating layer. The power transmitted through a transmission line is therefore often limited by the heating of the conductor.
Um das Problem der geringen Stromtragfähigkeiten von derartigen Gleichstromleitungen zu lösen, wurden Gleichstromleitungen mit supraleitenden Leiterelementen vorgeschlagen, welche den Strom nahezu verlustfrei und mit sehr hohen Stromdichten transportieren können. Die supraleitenden Leiterelemente in solchen Leitungen müssen allerdings durch eine zusätzliche Kühlvorrichtung auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden. Diese Betriebstemperatur kann abhängig von der Wahl des supraleitenden Materials beispielsweise zwischen 4 K und 100 K liegen. Bei bekannten supraleitenden Übertragungsleitungen wird diese Kühlung durch die Transport beziehungsweise Zirkulation eines fluiden Kühlmittels, beispielsweise in einem geschlossenen Kreislauf, durch das Innere der Leitung erreicht. Hierzu werden in den Endbereichen der Leitung und optional auch im Bereich von Zwischenkühlstationen Einspeisevorrichtungen zur Einspeisung von Kühlmittel in das Leiterinnere vorgesehen. Um Gleichstrom in eine solche supraleitende Übertragungsleitung einspeisen zu können, wird diese Leitung oft an einem Endbereich oder auch beiden Endbereichen mit geeigneten Stromrichtern verbunden. So kann die Leitung beispielsweise in einem Endbereich mit einem oder mehreren Gleichrichtern verbunden sein, um Wechselstrom in Gleichstrom zu wandeln. Zusätzlich kann die Leitung optional am gegenüberliegenden Endbereich mit einem oder mehreren Wechselrichtern verbunden sein um den durch die Leitung transportierten Gleichstrom wieder in Wechselstrom für ein Verbrauchernetz zu wandeln. Grundsätzlich können solche supraleitenden Übertragungsleitungen entweder als einpolige Leitungen (zur Übertragung von Gleichstrom von nur einer Polarität) oder auch als zweipolige Leitungen (zur Übertragung von Gleichstrom beider Polaritäten innerhalb einer Leitung) ausgeführt sein.To solve the problem of the low current carrying capacities of such DC lines, DC lines with superconducting conductor elements have been proposed, which can transport the current almost lossless and with very high current densities. However, the superconducting conductor elements in such lines must be cooled by an additional cooling device to an operating temperature below the critical temperature of the superconductor. This operating temperature may, for example, be between 4 K and 100 K, depending on the choice of superconducting material. In known superconducting transmission lines, this cooling is achieved by the transport or circulation of a fluid coolant, for example in a closed circuit, through the interior of the line. For this purpose, feed devices for feeding coolant into the interior of the conductor are provided in the end regions of the line and optionally also in the region of intermediate cooling stations. In order to be able to feed direct current into such a superconducting transmission line, this line is often connected at one end region or both end regions with suitable power converters. For example, the lead may be connected in one end region to one or more rectifiers to convert alternating current into direct current. In addition, the line may optionally be connected to one or more inverters at the opposite end region to convert the DC current transported through the line back to AC for a consumer network. In principle, such superconducting transmission lines can be designed either as single-pole lines (for the transmission of direct current of only one polarity) or as two-pole lines (for the transmission of direct current of both polarities within a line).
Ein grundsätzlicher Vorteil supraleitender Übertragungsleitungen liegt darin, dass Gleichstrom annähernd verlustfrei bei hohen Stromstärken transportiert werden kann. Somit können hohe Leistungen vorteilhaft bei vergleichsweise niedrigen Spannungen übertragen. Problematisch bei dieser Variante ist allerdings, dass standardmäßig zur Verfügung stehende Stromrichter oft nicht für den gewünschten hohen Leistungsbereich ausgelegt sind. Insbesondere sind kostengünstig zur Verfügung stehende und zuverlässige Standardbauteile oft nicht für die hohen Ströme ausgelegt, die die supraleitenden Übertragungsleitungen transportieren könnten. Beispielsweise sind die Nennströme von standardmäßig zur Verfügung stehenden Stromrichtern oft auf wenige Kiloampere begrenzt. Um diese Problematik aufzulösen, werden auch bei der Verwendung supraleitender Übertragungsleitungen oft höhere Übertragungsspannungen eingesetzt, als rein aufgrund der Spezifikationen der Übertragungsleitung nötig wäre. Mit anderen Worten wird aufgrund der Spezifikationen der Stromrichter Gleichstrom einer vorgegebenen Leistung zum Teil bei höherer Spannung und niedrigerem Strom übertragen, als es im Hinblick auf die Eigenschaften der supraleitenden Übertragungsleitung optimal wäre. Hierdurch ergeben sich wiederum stärkere Anforderungen an die eingesetzten Dielektrika, um bei den höheren Übertragungsspannungen Spannungsüberschläge zu vermeiden. Hierdurch entsteht wiederum ein höherer Materialaufwand bei der Isolation der einzelnen Leiterelemente.A fundamental advantage of superconducting transmission lines is that DC current can be transported almost lossless at high currents. Thus, high powers can advantageously be transmitted at comparatively low voltages. The problem with this variant, however, is that standard available converters are often not designed for the desired high power range. In particular, inexpensive and reliable standard components are often not designed for the high currents that could transport the superconducting transmission lines. For example, the nominal currents of standard available converters are often limited to a few kiloamps. To this problem Even when superconducting transmission lines are used, higher transmission voltages are often used than would be necessary purely on the basis of the specifications of the transmission line. In other words, due to the specifications of the power converters, DC power of a given power is partly transmitted at higher voltage and lower power than would be optimal in view of the characteristics of the superconducting transmission line. This in turn results in greater demands on the dielectrics used to avoid voltage flashovers at the higher transmission voltages. In turn, this results in a higher cost of materials in the isolation of the individual conductor elements.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Gleichstromübertragung mit einer supraleitenden Übertragungsleitung anzugeben, welche die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll eine Übertragungsvorrichtung angegeben werden, welche zur Übertragung hoher Leistungen geeignet ist, bei gleichzeitig relativ geringem Materialaufwand für die Leiterisolation. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Übertragung von Gleichstrom mit einer derartigen Vorrichtung anzugeben. Die Übertragung soll dabei insbesondere bei vergleichsweise niedrigem Spannungsniveau ermöglicht werden.The object of the invention is therefore to provide a device for DC transmission with a superconducting transmission line, which overcomes the disadvantages mentioned. In particular, a transmission device is to be specified, which is suitable for the transmission of high power, at the same time relatively low cost of materials for the conductor insulation. Another object is to provide a method of transmitting direct current with such a device. The transmission should be made possible in particular at a comparatively low voltage level.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung und das in Anspruch 15 beschriebene Verfahren gelöst.These objects are achieved by the apparatus described in
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gleichstromübertragung weist eine supraleitende Übertragungsleitung auf. Diese Übertragungsleitung umfasst eine vakuumisolierte Hülle zur thermischen Trennung eines radial innen liegenden Bereichs der Übertragungsleitung von einer äußeren Umgebung und eine Mehrzahl n supraleitender Leiteradern, welche gemeinsam innerhalb der vakuumisolierten Hülle geführt sind. Die Vorrichtung weist weiterhin wenigstens eine Anzahl n an Stromrichtern auf, wobei jeder der supraleitenden Leiteradern - oder jeder Gruppe von zusammengefassten Leiteradern - zumindest ein Stromrichter zugeordnet ist. Ferner ist die Vorrichtung dazu ausgestaltet, mehrere gemeinsam innerhalb der Hülle geführte Leiteradern mit einem Gleichstrom von untereinander gleicher Polarität zu beaufschlagen.The DC transmission device according to the invention has a superconducting transmission line. This transmission line comprises a vacuum-insulated sheath for thermal separation of a radially inner portion of the transmission line from an external environment and a plurality of n superconducting conductor cores which are guided together within the vacuum-insulated sheath. The device furthermore has at least a number n of power converters, wherein each of the superconducting conductor cores - or each group of combined conductor cores - is assigned at least one power converter. Furthermore, the device is designed to act on a plurality of common conductors guided within the shell conductor with a direct current of mutually same polarity.
Mit anderen Worten handelt es sich hierbei um eine mehradrige Leitung, bei der die einzelnen Leiteradern gemeinsam in einem Leitungskryostaten angeordnet sind, wobei entweder jede Leiterader oder jede Gruppe von zusammengefassten Leiteradern mit zumindest einem eigenen Stromrichter verbunden ist. Dabei sind jeweils mehrere solcher gemeinsam thermisch isolierten Leiteradern zusammen einem elektrischen Pol zugeordnet. Mit anderen Worten sind jeweils mehrere solcher gemeinsam isolierten Leiteradern für eine vorgegebene Stromflussrichtung vorgesehen. Es ist möglich, aber nicht zwingend notwendig, dass alle gemeinsam in dem Kryostaten angeordneten Leiteradern derselben Stromflussrichtung zugeordnet sind. Trifft dies zu, dann handelt es sich um eine einpolige Übertragungsleitung. Es ist jedoch auch möglich, und im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter Umständen vorteilhaft, wenn nur eine Teilmenge der innerhalb der gemeinsamen Hülle vorliegenden Leiteradern zusammen einer Stromflussrichtung zugeordnet sind und wenn eine andere Teilmenge der innerhalb der Hülle vorliegenden Leiteradern der jeweils anderen Stromflussrichtung zugeordnet sind. In einem solchen Fall handelt es sich also um eine zweipolige Übertragungsleitung.In other words, this is a multi-wire line, in which the individual conductor wires are arranged together in a line cryostat, wherein either each conductor core or each group of combined conductor wires is connected to at least one own power converter. In each case a plurality of such jointly thermally insulated conductor wires are assigned together to an electrical pole. In other words, a plurality of such jointly insulated conductor wires are provided for a given current flow direction. It is possible, but not essential, that all conductor wires arranged together in the cryostat are assigned the same current flow direction. If this is true, then it is a single-pole transmission line. However, it is also possible, and in connection with the present invention may be advantageous if only a subset of the present within the common shell conductor wires are assigned together a current flow direction and if a different subset of the present within the shell conductor wires are assigned to the other current flow direction , In such a case, it is therefore a two-pole transmission line.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung - unabhängig davon, ob es sich um eine einpolige oder zweipolige Übertragungsleitung handelt - ist, dass durch das Vorliegen von mehreren Adern pro Pol eine Energieübertragung bei hoher Nennleistung ermöglicht wird, wobei trotzdem Stromrichter mit jeweils relativ geringer Nennleistung beziehungsweise Nennstrom zum Einsatz kommen können. Dies wird einerseits dadurch ermöglicht, dass insgesamt bei vergleichsweise niedriger Spannung und vergleichsweise hohem Gesamtstrom übertragen wird. Hierdurch sind die Anforderungen an die Dielektrika zur Vermeidung von Spannungsüberschlägen vergleichsweise geringer als dies bei einer höheren Übertragungsspannung der Fall wäre. Zum anderen können Stromrichter mit jeweils geringen Nennströmen und Nennspannungen zum Einsatz kommen, da der insgesamt zu übertragende Strom auf mehrere Teilströme (in den jeweiligen Leiteradern) aufgeteilt wird und die Leiteradern jeweils einzeln (oder in zusammengefassten Gruppen) mit ihnen jeweils separat zugeordneten Stromrichtern verbunden sind. Hierdurch ist der für jeden einzelnen Stromrichter relevante Nennstrom auf den Teilstrom einer Leiterader (oder einer Gruppe von Leiteradern) reduziert. Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung daher eine Gleichstromübertragung mit hoher Gesamtleistung, wobei die Anforderungen an die dielektrische Isolation der verwendeten supraleitenden Übertragungsleitung vergleichsweise gering sind (was zu Materialeinsparungen in der Übertragungsleitung führt) und wobei ferner die Anforderungen an die Nennleistung der jeweiligen Stromrichter ebenfalls vergleichsweise gering sind (was die Verwendung von kostengünstigen und zuverlässigen Standardbauteilen ermöglicht).A significant advantage of the embodiment according to the invention - regardless of whether it is a single-pole or two-pole transmission line - is that by the presence of multiple wires per pole energy transfer at high power rating is possible, while still power converters, each with a relatively low rated power or rated current can be used. On the one hand, this is made possible by the fact that overall transmission takes place at comparatively low voltage and comparatively high total current. As a result, the requirements on the dielectrics to avoid voltage flashovers are comparatively lower than would be the case with a higher transmission voltage. On the other hand, power converters with low rated currents and rated voltages can be used, since the total current to be transmitted is divided into several partial currents (in the respective conductor wires) and the conductor wires are connected individually (or in combined groups) with power converters which are each assigned separately , As a result, the rated current relevant to each individual power converter is reduced to the partial current of a conductor core (or a group of conductor wires). Overall, therefore, the device according to the invention allows a DC transmission with high total power, the requirements for the dielectric isolation of the superconducting transmission line used are comparatively low (which leads to material savings in the transmission line) and further wherein the requirements for the rated power of the respective power converters are also relatively low (which allows the use of inexpensive and reliable standard components).
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Übertragung von Gleichstrom mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es umfasst den Verfahrensschritt der Einspeisung von Strom gleicher Polarität in mehrere innerhalb der gemeinsamen Hülle angeordnete Leiteradern der supraleitenden Übertragungsleitung. Dabei können die Leiteradern insbesondere gegeneinander isoliert sein. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich dabei analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.The method according to the invention serves to transmit direct current with a device according to the invention. It comprises the process step of feeding current of the same polarity into a plurality of conductor cores of the superconducting transmission line disposed within the common sheath. In this case, the conductor wires can in particular be insulated from one another. The advantages of the method according to the invention arise analogously to the advantages of the device according to the invention described above.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft miteinander kombiniert werden.Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent claims of
Die Vorrichtung weist bevorzugt eine Kühlvorrichtung auf zur Kühlung des radial innenliegenden Bereichs der Übertragungsleitung auf eine Temperatur unterhalb einer Sprungtemperatur der supraleitenden Leiteradern mithilfe eines fluiden Kühlmittels. In dieser Ausgestaltung ermöglicht die Übertragungsleitung zweckmäßig eine Gleichstromübertragung im supraleitenden Zustand der Leiteradern. So kann ein annähernd verlustfreier Stromtransport in dem eingesetzten supraleitenden Material erreicht werden. Zweckmäßig umfasst die Kühlvorrichtung wenigstens eine Einspeisevorrichtung zur Einspeisung von Kühlmittel an einem Endbereich der Übertragungsleitung. Allgemein bevorzugt weist die Übertragungsleitung zumindest einen Kühlmittelkanal auf, welcher zum Transport von fluidem Kühlmittel entlang einer Längsrichtung der Übertragungsleitung ausgebildet ist und welcher innerhalb der gemeinsamen vakuumisolierten Hülle angeordnet ist, sodass die darin geführten Leiteradern effektiv durch das Kühlmittel gekühlt werden können.The device preferably has a cooling device for cooling the radially inner region of the transmission line to a temperature below a transition temperature of the superconducting conductor wires by means of a fluid coolant. In this embodiment, the transmission line suitably enables a DC transmission in the superconducting state of the conductor wires. Thus, an approximately lossless current transport in the superconducting material used can be achieved. Suitably, the cooling device comprises at least one feed device for feeding coolant at an end region of the transmission line. Generally, the transmission line preferably has at least one coolant channel, which is designed to transport fluid coolant along a longitudinal direction of the transmission line and which is arranged within the common vacuum-insulated sleeve, so that the conductor wires guided therein can be effectively cooled by the coolant.
Die Übertragungsleitung der Vorrichtung weist bevorzugt wenigstens einen derartigen Kühlmittelkanal auf, welcher die innerhalb der gemeinsamen Hülle angeordneten supraleitenden Leiteradern gemeinsam umgibt. Dabei können beispielsweise mehrere derartige Leiteradern gemeinsam innerhalb eines solchen Kühlmittelkanals angeordnet sein und dabei nebeneinander geführt sein. Andererseits ist es aber auch möglich, dass mehrere Leiteradern konzentrisch umeinander angeordnet sind und dass zumindest ein radial außenliegender Kühlmittelkanal diese konzentrischen Leiteradern gemeinsam ringförmig umgibt. Optional können auch zwischen solchen konzentrischen Leiteradern noch weitere derartige Kühlmittelkanäle angeordnet sein. Wesentlich bei all diesen verschiedenen Varianten ist, dass die durch die gemeinsame vakuumisolierte Hülle gemeinsam thermisch isolierten Leiteradern durch das Kühlmittel in dem sie gemeinsam umgebenden Kühlmittelkanal auch gemeinsam gekühlt werden können und dass somit der apparative Aufwand für die Kühlung der Mehrzahl von Leiteradern vorteilhaft gering ist. Besonders bevorzugt kann dabei die vakuumisolierte Hülle den die Leiteradern gemeinsam umgebenden Kühlmittelkanal nach radial außen hin begrenzen. Grundsätzlich ist es jedoch im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch möglich, dass jede der Leiteradern einzeln gekühlt ist, oder dass beispielsweise zusammengefasste Gruppen von Leiteradern jeweils separat voneinander gekühlt werden. Dies kann wiederum beispielsweise durch Kühlmittelkanäle erfolgen, die jeweils solchen einzelnen Leiteradern oder auch Gruppen von Leiteradern zugeordnet sind.The transmission line of the device preferably has at least one such coolant channel, which jointly surrounds the superconducting conductor cores disposed within the common sheath. In this case, for example, a plurality of such conductor wires can be arranged together within such a coolant channel and thereby guided side by side. On the other hand, it is also possible that a plurality of conductor cores are arranged concentrically around each other and that at least one radially outer coolant channel surrounds these concentric conductor cores together in a ring. Optionally, further such coolant channels can also be arranged between such concentric conductor wires. It is essential in all these different variants that the conductor cores, which are thermally insulated by the common vacuum-insulated sheath, can also be cooled together by the coolant in the coolant channel surrounding them together, and thus that the expenditure on equipment for cooling the plurality of conductor cores is advantageously low. In this case, the vacuum-insulated sheath may particularly preferably limit the coolant channel surrounding the conductor cores radially outwards. In principle, however, it is also possible in the context of the present invention that each of the conductor wires is cooled individually, or that, for example, combined groups of conductor wires are each cooled separately from one another. This can in turn be done for example by coolant channels, which are each associated with such individual conductor wires or groups of conductor wires.
Bevorzugt sind die einzelnen, innerhalb der gemeinsamen vakuumisolierten Hülle geführten Leiteradern mithilfe einer dielektrischen Isolationsschicht derart voneinander isoliert, dass beim Betrieb der Vorrichtung eine Potentialdifferenz zwischen den einzelnen Leiteradern von wenigstens 3 kV aufrechterhalten werden kann. Besonders bevorzugt kann sogar eine Potentialdifferenz von wenigstens 9 kV oder sogar wenigstens 15 kV zwischen den einzelnen Leiteradern anliegen, ohne dass die Gefahr von Spannungsüberschlägen besteht. Insbesondere soll eine solche Isolationsschicht auch zwischen denjenigen Leiteradern einer Übertragungsleitung vorliegen, welche zur Übertragung von Gleichstrom gleicher Polarität ausgelegt sind. Auch wenn bei einem Normalbetrieb der Übertragungsleitungen die einzelnen Leiteradern eines solchen elektrischen Pols annähernd die gleiche Spannung aufweisen, so ist diese Ausführungsform trotzdem zweckmäßig, um beispielsweise bei einem Ausfall von einem Stromrichter (der einer bestimmten Leiterader oder Gruppe von Leiteradern zugeordnet ist) den Stromtransport über die anderen Leiteradern weiterhin aufrechterhalten zu können. In einem solchen Betriebszustand liegt eine nicht unerhebliche Potentialdifferenz zwischen den betroffenen benachbarten Leiteradern an und die elektrische Isolation zwischen einer aktiven und einer inaktiven Leiterader wird relevant. Es ist bei dieser Ausführungsform auch möglich, bei einem Teillastbetrieb der Übertragungsvorrichtung einzelne Leiteradern gezielt zu deaktivieren, beispielsweise in dem der (oder die) dieser Leiterader zugeordnete(n) Stromrichter gezielt abgeschaltet wird/werden. Um die Potentialdifferenz zu minimieren, kann eine deaktivierte Leiterader beispielsweise hochohmig auf das Potential einer benachbarten Leiterader und/oder auf ein anderes, zur Reduzierung der Potentialdifferenz geeignetes Potential gelegt werden.Preferably, the individual conductor leads routed within the common vacuum-insulated sheath are insulated from one another by means of a dielectric insulation layer such that a potential difference between the individual conductor cores of at least 3 kV can be maintained during operation of the device. Even more preferably, even a potential difference of at least 9 kV or even at least 15 kV between the individual conductor wires lie, without the risk of voltage flashovers exists. In particular, such an insulation layer should also be present between those conductor wires of a transmission line which are designed to transmit DC current of the same polarity. Even if the individual conductor wires of such an electrical pole have approximately the same voltage in a normal operation of the transmission lines, this embodiment is nevertheless useful, for example in the event of a failure of a power converter (which is assigned to a specific conductor wire or group of conductor wires) the current transport over to be able to maintain the other leader lines. In such an operating state, there is a considerable potential difference between the affected adjacent conductor wires and the electrical insulation between an active and an inactive conductor wire becomes relevant. In this embodiment, it is also possible to intentionally deactivate individual conductor cores in the case of a partial load operation of the transmission device, for example in which the (or) power converter assigned to this conductor core is / are switched off in a targeted manner. To minimize the potential difference, a deactivated conductor can, for example, high impedance to the potential of an adjacent conductor wire and / or to another, suitable for reducing the potential difference potential.
Die beschriebene dielektrische Isolationsschicht soll also dazu ausgebildet sein, jeweils zueinander benachbart angeordnete Leiteradern elektrisch gegeneinander zu isolieren. Die dielektrische Isolationsschicht soll hierbei nicht notwendigerweise als feste Schicht verstanden werden, sondern sie kann besonders bevorzugt teilweise oder sogar auch hauptsächlich durch das fluide Kühlmittel gebildet werden. Wesentlich ist hierbei nur, dass zwischen den benachbarten Leiteradern ein für den jeweiligen Spannungsbereich ausreichend durchschlagfestes Dielektrikum in ausreichender Dicke angeordnet ist.The described dielectric insulation layer should therefore be designed to electrically insulate each other from each other adjacent arranged conductor wires. The dielectric insulating layer should not necessarily be understood as a solid layer, but it may particularly preferably partially or even mainly formed by the fluid coolant become. It is only important that between the adjacent conductor wires a sufficiently dielectric for the respective voltage range dielectric is arranged in sufficient thickness.
So kann die dielektrische Isolationsschicht also bevorzugt ein fluides Kühlmittel umfassen. Insbesondere kann sie zumindest in axialen und/oder radialen Teilbereichen der Übertragungsleitung mehrheitlich aus fluidem Kühlmittel gebildet sein. Dies kann insbesondere das in einem ringförmigen Kühlmittelkanal in Längsrichtung der Leitung strömende Kühlmittel sein, welches von einem Ende der Leitung aus eingespeist wird. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass im Fall eines Spannungsdurchschlags der durch das fluide Kühlmittel gebildete Teil der Isolationsschicht im Gegensatz zu einem Festkörperdielektrikum nicht dauerhaft zerstört wird, da dieser Teil durch nachströmendes Kühlmittel ersetzt werden kann. Eine solche Ausführung mit Kühlmittel als Teil der Isolationsschicht eignet sich besonders für die Gleichstromübertragung im niedrigeren Spannungsbereich und Mittelspannungsbereich, also beispielsweise mit Spannungen zwischen 1 kV und 24 kV, da in diesem Spannungsbereich beispielsweise flüssiger Stickstoff und flüssiger Wasserstoff genügend durchschlagsfest sind. Besonders bevorzugt ist der Einsatz für die Gleichstromübertragung im Spannungsbereich zwischen 1 kV und 9 kV.Thus, the dielectric insulating layer may thus preferably comprise a fluid coolant. In particular, it may be formed at least in axial and / or radial portions of the transmission line majority of fluid coolant. This may be, in particular, the coolant flowing in an annular coolant channel in the longitudinal direction of the line, which is fed from one end of the line. An advantage of this embodiment is that, in the case of a voltage breakdown, the part of the insulating layer formed by the fluid coolant, unlike a solid-state dielectric, is not permanently destroyed, since this part can be replaced by an inflowing coolant. Such a design with coolant as part of the insulating layer is particularly suitable for the DC transmission in the lower voltage range and medium voltage range, so for example with voltages between 1 kV and 24 kV, since in this voltage range, for example, liquid nitrogen and liquid hydrogen are sufficiently puncture resistant. Particularly preferred is the use for the DC transmission in the voltage range between 1 kV and 9 kV.
Die dielektrische Isolationsschicht kann insbesondere mehrheitlich aus fluidem Kühlmittel gebildet sein. Mit anderen Worten kann ein überwiegender Anteil des Volumens der Isolationsschicht durch fluides Kühlmittel gegeben sein. Beispielsweise kann die dielektrische Isolationsschicht im Wesentlichen durch den mit Kühlmittel gefüllten ringförmigen Kühlmittelkanal gebildet sein, wobei der hohlzylindrische Kanal neben dem Kühlmittel zusätzliche elektrisch isolierende Stützelemente zur Abstützung der weiter innen liegenden Elemente der Leitung aufweisen kann. Wesentlich für diese Ausführungsform ist, dass die Übertragungsleitung radial durchgehende axiale Segmente und/oder azimutale Segmente aufweist, in denen die dielektrische Isolationsschicht vollständig durch fluides Kühlmittel gebildet ist. Die zwischen diesen Segmenten optional vorhandenen Stützelemente können stegartig ausgebildet sein. Sie können beispielsweise aus Edelstahl, glasfaserverstärktem Kunststoff und/oder Gießharz gebildet sein, wobei nichtleitende Materialien besonders bevorzugt sind.The dielectric insulation layer may in particular be formed in majority by fluid coolant. In other words, a majority of the volume of the insulating layer may be due to fluid coolant. For example, the dielectric insulating layer may be formed substantially by the coolant-filled annular coolant channel, wherein the hollow cylindrical channel in addition to the coolant may have additional electrically insulating support elements for supporting the more inner elements of the conduit. Essential for this embodiment is that the transmission line has radially continuous axial segments and / or azimuthal segments in which the dielectric insulation layer is completely formed by fluid coolant. The optionally existing between these segments support elements may be web-like. They may be formed, for example, from stainless steel, glass fiber reinforced plastic and / or cast resin, with non-conductive materials being particularly preferred.
Ein wesentlicher Vorteil der Ausführungsformen, bei denen ein wesentlicher Anteil der dielektrischen Isolationsschicht durch Kühlmittel gebildet wird, ist, dass im Vergleich zu einer reinen Feststoffisolation eine hohe Gewichtsersparnis und Materialersparnis erzielt werden kann.A significant advantage of the embodiments in which a significant proportion of the dielectric insulating layer is formed by coolant, is that compared to a pure solid insulation, a high weight saving and material savings can be achieved.
Die dielektrische Isolationsschicht kann auch wenigstens eine Schicht eines in Kühlmittel eingebetteten Papiers aufweisen. Insbesondere kann das Papier dabei von fluidem Kühlmittel umströmt bzw. durchströmt werden. Das Papier kann vorteilhaft als Polypropylen-laminiertes Papier (abgekürzt PPLP) vorliegen, welches besonders durchschlagsfest ist. Eine solche PPLP-Schicht besteht aus einem Laminat eines Polypropylen-Films, welcher beidseitig von Zellulose-Papier benachbart ist. Vorteilhaft kann die dielektrische Isolationsschicht auch einen Stapel aus mehreren derartigen Papieren aufweisen, wobei die einzelnen Papierlagen jeweils von fluidem Kühlmittel umströmt werden. Wird die dielektrische Isolationsschicht durch eine Kombination von PPLP und fluidem Kühlmittel gebildet, dann können vorteilhaft besonders hohe Durchschlagfestigkeiten erzielt werden.The dielectric insulating layer may also include at least one layer of paper embedded in coolant. In particular, the paper can be flowed around or flowed through by fluid coolant. The paper may advantageously be present as polypropylene-laminated paper (abbreviated PPLP), which is particularly resistant to breakdown. Such a PPLP layer consists of a laminate of a polypropylene film which is adjacent to both sides of cellulose paper. Advantageously, the dielectric insulation layer may also comprise a stack of a plurality of such papers, wherein the individual paper layers are respectively flowed around by a fluid coolant. If the dielectric insulation layer is formed by a combination of PPLP and fluid coolant, then advantageously particularly high dielectric strengths can be achieved.
Das fluide Kühlmittel kann im Inneren der Übertragungsleitung zumindest auf einem mehrheitlichen Teil der Längsausdehnung der Leitung im Inneren eines glattwandigen Rohr geführt sein. Unter einem glattwandigen Rohr soll dabei ein solches Rohr verstanden werden, welches neben der natürlichen herstellungsbedingten Rauigkeit seiner Oberfläche keine regelmäßige, übergeordnete Struktur aufweist. Insbesondere soll das Rohr zumindest in dem genannten mehrheitlichen Teil nicht als Wellrohr ausgebildet sein. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass der Strömungswiderstand für das zu transportierende Kühlmittel gering gehalten wird und Verwirbelungen des Kühlmittels minimiert werden. Hierdurch kann zum einen ein ausreichend hoher Massendurchsatz des Kühlmittels erreicht werden, um die über die Leitungslänge benötigte Kühlleistung auch in einem niedrigen Druckbereich zu gewährleisten. Zum anderen kann eine Erwärmung durch mit einer Verwirbelung einhergehende mechanische Reibungsverluste gering gehalten werden. Weiterhin ist die thermisch wirksame Oberfläche bei mit glatten Rohren vakuumisolierten Leitungen im Vergleich zu Leitungen mit gewellter Außenhülle verringert, was wiederum die Anforderungen an die Kühlleistung verringert. Diese Merkmale können vorteilhaft dazu beitragen, eine Kühlung des Leiters über besonders lange Leitungslängen zu ermöglichen, ohne dass zusätzliche axial innenliegende Zwischenkühlstationen benötigt werden. Besonders vorteilhaft wird der Kühlmittelkanal auf der ganzen Länge der Übertragungsleitung durch ein glattwandiges Rohr begrenzt.The fluid coolant may be routed inside the transmission line at least on a majority part of the longitudinal extent of the conduit inside a smooth-walled tube. Under a smooth-walled tube is to be understood such a tube, which in addition to the natural production-related roughness of its surface has no regular, higher-level structure. In particular, the tube should not be formed as a corrugated pipe, at least in said majority part. By means of this embodiment, it is achieved that the flow resistance for the coolant to be transported is kept low and turbulences of the coolant are minimized. In this way, on the one hand, a sufficiently high mass flow rate of the coolant can be achieved in order to ensure the cooling capacity required over the line length, even in a low pressure range. On the other hand, heating can be kept low by associated with a turbulence mechanical friction losses. Furthermore, the thermally-effective surface is reduced in smooth-tube vacuum insulated conduits as compared to corrugated outer conduits, which in turn reduces cooling performance requirements. These features can advantageously contribute to enabling cooling of the conductor over particularly long line lengths, without the need for additional axially internal intermediate cooling stations. Particularly advantageously, the coolant channel is delimited over the entire length of the transmission line by a smooth-walled tube.
Glattwandige Kühlmittelrohre haben grundsätzlich den Nachteil einer geringeren mechanischen Flexibilität bei einer Verlegung der Übertragungsleitung. Dieser Nachteil kann dadurch ausgeglichen werden, dass zwischen einzelnen Segmenten mit glattwandigen Begrenzungsrohren vergleichsweise kürzere Segmente mit gewellten Begrenzungsrohren angeordnet werden. So kann trotzdem eine höhere Beweglichkeit der Leitung durch Biegung an vorbestimmten Stellen ermöglicht werden. Auch für eine beispielsweise durch thermische Ausdehnung oder Schrumpfung bedingte Längenkompensation der Leitung kann die Anordnung solcher Segmente mit gewellten Kühlmittelrohren vorteilhaft sein. Die Verwirbelung in diesen gewellten Segmenten kann trotzdem dadurch gering gehalten werden, dass ein gewellt ausgestaltetes äußeres Kühlmittelrohr mit einem eingesteckten glatten Rohrstück ausgekleidet wird, so dass im Inneren dieses glatten Rohrstücks fließende Kühlmittel wiederum nur eine geringe Verwirbelung erfährt.Smooth-walled coolant pipes basically have the disadvantage of lower mechanical flexibility when laying the transmission line. This disadvantage can be compensated for by arranging comparatively shorter segments with corrugated boundary tubes between individual segments with smooth-walled boundary tubes. So can still a higher Mobility of the line are made possible by bending at predetermined locations. Also, for example, caused by thermal expansion or shrinkage length compensation of the line, the arrangement of such segments with corrugated coolant tubes may be advantageous. The turbulence in these corrugated segments can still be kept low, that a corrugated ausgestaltetes outer coolant tube is lined with an inserted smooth pipe section, so that in the interior of this smooth pipe section flowing coolant in turn undergoes only a slight turbulence.
Alternativ zu den vorab beschriebenen Ausführungsformen mit im Wesentlichen glatten Rohren ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, dass Kühlmittelrohr als Wellrohr auszuführen. Ein Vorteil dieser alternativen Ausführungsform ist, dass ein solches Wellrohr durch seine höhere Flexibilität leicht um die Leiteradern herum positioniert werden kann.As an alternative to the previously described embodiments with substantially smooth tubes, however, it is basically also possible to design the coolant tube as a corrugated tube. An advantage of this alternative embodiment is that such a corrugated pipe can be easily positioned around the conductor wires by its greater flexibility.
Bei den vorab beschriebenen (glatten und/oder gewellten) Kühlmittelrohren kann es sich grundsätzlich jeweils um die gemeinsame vakuumisolierte Hülle der supraleitenden Übertragungsleitung handeln.In principle, the previously described (smooth and / or corrugated) coolant tubes can each be the common vacuum-insulated casing of the superconducting transmission line.
Die dielektrische Isolationsschicht kann vorteilhaft eine Durchschlagfestigkeit von wenigstens 20 kV/mm aufweisen. Sie kann also so durchschlagsfest ausgestaltet sein, dass mit der Vorrichtung eine Gleichstromübertragung bei Spannungen oberhalb von 1 kV bei gleichzeitig vorteilhaft niedriger Dicke der dielektrischen Isolationsschicht zwischen benachbarten Leiteradern ermöglicht wird. Diese Dicke der Isolationsschicht kann beispielsweise zwischen 1 mm und 10 mm liegen.The dielectric insulating layer may advantageously have a dielectric strength of at least 20 kV / mm. Thus, it can be designed so that it is resistant to breakdown, so that the device enables a direct current transmission at voltages above 1 kV and at the same time advantageously low thickness of the dielectric insulation layer between adjacent conductor wires. This thickness of the insulating layer may be, for example, between 1 mm and 10 mm.
Die supraleitenden Leiteradern können vorteilhaft Leiterelemente mit einem hochtemperatursupraleitenden Material umfassen. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb besonders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur sehr hohe kritische Stromdichten aufweisen können.The superconducting conductor wires can advantageously comprise conductor elements with a high-temperature superconducting material. High-temperature superconductors (HTS) are superconducting materials with a transition temperature above 25 K and in some classes of materials, such as cuprate superconductors, above 77 K, where the operating temperature can be reached by cooling with cryogenic materials other than liquid helium. HTS materials are also particularly attractive because these materials can have very high critical current densities, depending on the choice of operating temperature.
Insbesondere kann das hochtemperatursupraleitende Material Magnesiumdiborid umfassen. Besonders vorteilhaft können die Leiterelemente als Hauptbestandteil Magnesiumdiborid aufweisen oder sogar im Wesentlichen aus Magnesiumdiborid bestehen. Magnesiumdiborid weist eine Sprungtemperatur von etwa 39 K auf und gilt somit als Hochtemperatur-Supraleiter, allerdings ist die Sprungtemperatur im Vergleich zu anderen HTS-Materialien eher niedrig. Die Vorteile dieses Materials im Vergleich zu oxidkeramischen Hochtemperatur-Supraleitern liegen bei seiner leichten und somit kostengünstigen Herstellbarkeit. Auf Magnesiumdiborid basierende Leiter können besonders einfach und günstig durch Aerosoldeposition oder durch das sogenannte Powder-in-Tube-Verfahren hergestellt werden.In particular, the high temperature superconducting material may comprise magnesium diboride. The conductor elements can particularly advantageously comprise magnesium diboride as the main constituent or even consist essentially of magnesium diboride. Magnesium diboride has a transition temperature of about 39 K and is thus considered a high-temperature superconductor, but the transition temperature is rather low compared to other HTS materials. The advantages of this material compared to oxide-ceramic high-temperature superconductors lie in its easy and thus inexpensive manufacturability. Magnesium diboride based conductors can be prepared particularly simply and favorably by aerosol deposition or by the so-called powder-in-tube process.
Alternativ oder zusätzlich können die Leiterelemente aber auch andere hochtemperatursupraleitende Materialien umfassen, beispielsweise HTS-Materialien der zweiten Generation, also Verbindungen des Typs REBa2Cu3Ox (kurz REBCO), wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. REBCO-Supraleiter können aufgrund ihrer hohen Sprungtemperaturen auch mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden und weisen vor allem bei tieferen Temperaturen als 77 K eine besonders hohe Stromtragfähigkeit auf.Alternatively or additionally, however, the conductor elements may also comprise other high-temperature superconducting materials, for example HTS materials of the second generation, ie compounds of the REBa 2 Cu 3 O x type (REBCO for short), where RE stands for a rare-earth element or a mixture of such elements , Due to their high transition temperatures, REBCO superconductors can also be cooled with liquid nitrogen and, especially at temperatures lower than 77 K, have a particularly high current carrying capacity.
Andere vorteilhafte Materialien sind HTS-Materialien der ersten Generation, beispielsweise die verschiedenen Varianten des Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxids. Alternativ können auch supraleitende Pnictide zum Einsatz kommen. Aufgrund ihrer eher niedrigen Sprungtemperatur kommen supraleitende Pnictide für eine Betriebstemperatur von etwa 20 bis 30 K in Frage.Other advantageous materials are HTS materials of the first generation, for example the different variants of bismuth strontium calcium copper oxide. Alternatively, superconducting pnictides can also be used. Due to their rather low transition temperature superconducting Pnictide come for an operating temperature of about 20 to 30 K in question.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die supraleitenden Leiteradern konzentrisch zueinander angeordnet sein. Sie können dann beispielsweise gemeinsam radial von einem ringförmigen Kühlmittelkanal umgeben sein, welcher sich zwischen den konzentrischen Leiteradern einerseits und der vakuumisolierten Hülle andererseits erstreckt. Alternativ oder zusätzlich können auch ein oder mehrere Kühlmittelkanäle radial zwischen den einzelnen Leiteradern und/oder innerhalb der innersten Leiterader angeordnet sein. Bei der Ausführungsvariante mit ringförmigen Kühlmittelkanälen zwischen den einzelnen konzentrischen Leiteradern können diese wiederum so ausgebildet sein, dass das in ihnen fließende fluide Kühlmittel einen wesentlichen Teil des die Leiteradern gegeneinander isolierenden Dielektrikums bildet. Alternativ oder zusätzlich zu einem solchen Kühlmittel-Dielektrikum zwischen den einzelnen Leiteradern ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, dass zwischen den konzentrischen Leiteradern ein festes Dielektrikum vorliegt.In a preferred embodiment, the superconducting conductor wires may be arranged concentrically with each other. They may then, for example, together be surrounded radially by an annular coolant channel which extends between the concentric conductor wires on the one hand and the vacuum-insulated sleeve on the other hand. Alternatively or additionally, one or more coolant channels may be arranged radially between the individual conductor wires and / or within the innermost conductor wire. In the embodiment with annular coolant channels between the individual concentric conductor wires, these can in turn be designed such that the fluid coolant flowing in them forms a substantial part of the dielectric material which mutually insulates the conductor wires. Alternatively or in addition to such a coolant dielectric between the individual conductor wires, however, it is also possible in principle for a solid dielectric to be present between the concentric conductor cores.
Die konzentrischen supraleitenden Leiteradern können bevorzugt auf einem gemeinsamen stabförmigen Träger angeordnet sein. Ein solcher Träger kann beispielsweise als massiver Kern oder als Rohr zum Transport von Kühlmittel ausgebildet sein. Als Trägermaterial eignet sich insbesondere ein metallisches Material, vor allem Kupfer oder eine kupferhaltige Legierung.The concentric superconducting conductor wires can preferably be arranged on a common rod-shaped carrier. Such a carrier may be formed for example as a solid core or as a tube for the transport of coolant. As a carrier material is particularly suitable metallic material, especially copper or a copper-containing alloy.
Alternativ zu den Ausführungsformen mit konzentrischen Leiteradern können die einzelnen supraleitenden Leiteradern innerhalb der gemeinsamen Hülle nebeneinander angeordnet sein. Dabei können insbesondere die einzelnen Leiteradern jeweils ein oder mehrere Leiterelemente aufweisen, welche jeweils auf einem Kern angeordnet sind. Bei diesen Leiterelementen kann es sich insbesondere jeweils um bandförmige Leiterelemente handeln. Auch hier kann der Kern insbesondere ein metallischer Kern, bevorzugt ein kupferhaltigen Kern, sein. Auch hier kann dieser Kern entweder als massiver Stab oder als Rohr (insbesondere zum Transport von Kühlmittel) ausgebildet sein.As an alternative to the embodiments with concentric conductor wires, the individual superconducting conductor wires can be arranged next to one another within the common sleeve. In this case, in particular, the individual conductor wires each have one or more conductor elements, which are each arranged on a core. In particular, each of these conductor elements may be band-shaped conductor elements. Again, the core may in particular be a metallic core, preferably a copper-containing core. Again, this core can be designed either as a solid rod or pipe (in particular for the transport of coolant).
Bei der genannten Ausführungsvariante mit nebeneinander geführten Leiteradern können diese allgemein entweder zusammen auf einem gemeinsamen Kern oder jeweils auf separaten Kernen angeordnet sein. Es können auch mehrere solche Kerne vorliegen, wobei jeweils mehrere supraleitende Leiterelemente auf einem gemeinsamen Kern gruppiert angeordnet sind. Diese einzelnen supraleitenden Leiterelemente können dabei grundsätzlich entweder zu einer gemeinsamen Leiterader oder auch zu getrennten Leiteradern gehören (wobei sie dann zweckmäßig ausreichend durchschlagfest gegeneinander isoliert sein sollten) .In the variant embodiment with conductor leads routed side by side, they can generally be arranged either together on a common core or in each case on separate cores. There may also be a plurality of such cores, wherein in each case a plurality of superconducting conductor elements are arranged grouped on a common core. In principle, these individual superconducting conductor elements may belong either to a common conductor core or to separate conductor cores (whereby they should then be suitably sufficiently resistant to breakdown with respect to one another).
Bei der Anordnung von mehreren, insbesondere bandförmigen, Leiterelementen auf einem gemeinsamen Kern ist es grundsätzlich auch möglich, dass mehrere solche Leiterelemente gestapelt übereinander angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere solche Leiterelemente nebeneinander helixartig um einen gemeinsamen Kern gewickelt sein. Dabei können die nebeneinander angeordneten spiralförmigen Wicklungen optional durch eine entsprechende dielektrische Isolationsschicht gegeneinander isoliert sein. Auch hier kann diese dielektrische Isolationsschicht wiederum hauptsächlich durch das Kühlmittel gebildet werden oder aber es kann ein festes Dielektrikum in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen spiralförmigen Leiterelementen angeordnet sein.In the arrangement of several, in particular band-shaped, conductor elements on a common core, it is also possible in principle for a plurality of such conductor elements to be stacked one above the other. Alternatively or additionally, a plurality of such conductor elements may be helically wound around a common core next to each other. The juxtaposed spiral windings can optionally be insulated from one another by a corresponding dielectric insulation layer. Again, this dielectric insulating layer can again be formed mainly by the coolant or it may be a solid dielectric in the spaces between the individual spiral-shaped conductor elements.
Die Anzahl n der Leiteradern einer Übertragungsleitung kann bevorzugt zwischen 2 und 100 liegen, insbesondere zwischen 7 und 37. Besonders bevorzugt kann die Anzahl n eine sogenannte „Magic number“ sein, welche eine regelmäßige Anordnung der Leiteradern nach dem Muster eines zentrierten Sechsecks erlaubt. n kann also eine ganzzahlige Zahl nach der allgemeinen Formel
n = 7, 19, 37, 61, 91, ...The number n of the conductor wires of a transmission line may preferably be between 2 and 100, in particular between 7 and 37. Particularly preferably, the number n may be a so-called "magic number" which allows a regular arrangement of the conductor wires according to the pattern of a centered hexagon. n can therefore be an integer number according to the general formula
n = 7, 19, 37, 61, 91, ...
Wenn der zentrale Platz einer solchen Anordnung nicht mit einer Leiterader besetzt ist, sondern frei bleibt, ergibt sich die dann bevorzugte Anzahl n der Leiteradern stattdessen nach der allgemeinen Formel
n = 6, 18, 36, 60, 90,...If the central location of such an arrangement is not occupied by a conductor core, but remains free, then the then preferred number n of the conductor leads results according to the general formula
n = 6, 18, 36, 60, 90, ...
Alternativ kann die Anzahl n der Leiteradern aber auch ein ganzzahliges Vielfaches einer solchen „Magic number“ oder „Magic number plus eins“ sein.Alternatively, however, the number n of the conductor wires can also be an integer multiple of such a "magic number" or "magic number plus one".
Bei einer derartigen Ausführungsform mit einem vakanten zentralen Platz kann sich an dieser Stelle vorteilhaft ein zentraler Kühlmittelkanal erstrecken.In such an embodiment with a vacant central space, a central coolant channel may advantageously extend at this point.
Ein allgemeiner Vorteil der Ausführungsformen mit einer relativ hohen Anzahl von Leiteradern (beispielsweise wenigstens 7 Leiteradern) ist es, dass durch diesen relativ hohen Grad der Parallelschaltung einzelner Adern innerhalb eines Pols eine Gleichstromübertragung mit einer insgesamt hohen Nennleistung ermöglicht wird, ohne dass Stromrichter mit einer besonders hohen Leistungsspezifikation benötigt werden.A general advantage of the embodiments with a relatively high number of conductor wires (for example, at least 7 conductor wires) is that this relatively high degree of parallel connection of individual wires within a pole enables DC transmission with a high overall rating, without the need for a single converter high performance specification needed.
Das fluide Kühlmittel kann vorteilhaft Stickstoff, Wasserstoff, Helium und/oder Neon aufweisen. Insbesondere kann das Kühlmittel vollständig aus einem dieser Stoffe bestehen. Allgemein kann das Kühlmittel dabei im flüssigen, gasförmigen und/oder überkritischen Zustand vorliegen. Dabei kann die Wahl des Kühlmittels zweckmäßig an die gewünschte Betriebstemperatur des gewählten Supraleiters angepasst werden. Beispielsweise können HTS-Materialien zweiter Generation gut mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden, während Magnesiumdiborid besonders vorteilhaft mit flüssigem oder überkritischem Wasserstoff gekühlt werden kann. Die Verwendung eines überkritischen Kühlmittels, insbesondere überkritischen Wasserstoffs, ist besonders vorteilhaft, da in diesem Zustand die Blasenbildung durch ein Sieden des Kühlmittels im Kühlmittelkanal ausgeschlossen wird und somit die Spannungsfestigkeit bei einer Nutzung des Kühlmittels als dielektrisches Isolationsmittel erhöht wird. Die Betriebstemperatur des supraleitenden Leiterelements kann beispielsweise bei einer Kühlung mit Wasserstoff zwischen 20 und 35 K oder bei einer Kühlung mit Stickstoff zwischen 65 und 80 K liegen.The fluid coolant may advantageously comprise nitrogen, hydrogen, helium and / or neon. In particular, the coolant may consist entirely of one of these substances. In general, the coolant may be present in the liquid, gaseous and / or supercritical state. In this case, the choice of the coolant can be suitably adapted to the desired operating temperature of the selected superconductor. For example, second generation HTS materials can be well cooled with liquid nitrogen, while magnesium diboride can be cooled particularly advantageously with liquid or supercritical hydrogen. The use of a supercritical coolant, in particular supercritical hydrogen, is particularly advantageous since, in this state, the formation of bubbles due to boiling of the coolant in the coolant channel is ruled out and thus the dielectric strength is increased when the coolant is used as the dielectric isolation agent. The operating temperature of the superconducting conductor element can, for example, when cooling with hydrogen between 20 and 35 K. or when cooling with nitrogen between 65 and 80 K.
Die einzelnen Stromrichter können bevorzugt jeweils für einen Betriebsstrom von höchstens 4 Kiloampere ausgelegt sein. Beispielsweise können sie für einen Betriebsstrom von jeweils zwischen 1 Kiloampere und 2 Kiloampere ausgelegt sein. In diesem Nennstrom-Bereich steht im Gegensatz zu noch höheren Strömen eine große Auswahl von günstigen und zuverlässigen Standardbauteilen zur Verfügung.The individual power converters can preferably be designed in each case for an operating current of at most 4 kiloamps. For example, they can be designed for an operating current of between 1 kilo-ampere and 2 kilo-ampere each. In this rated current range, in contrast to even higher currents, a large selection of inexpensive and reliable standard components is available.
Alternativ oder zusätzlich können die einzelnen Stromrichter jeweils für eine Betriebsspannung von höchstens 9 kV, insbesondere höchstens 5 kV, ausgelegt sein. Beispielsweise können sie jeweils für eine Betriebsspannung zwischen 1 kV und 9 kV, insbesondere zwischen 3 kV und 4,5 kV ausgelegt sein. Auch in diesem Spannungsbereich steht im Gegensatz zu noch höheren Spannungen wiederum eine große Auswahl von günstigen und zuverlässigen Standardbauteilen zur Verfügung.Alternatively or additionally, the individual power converters can each be designed for an operating voltage of at most 9 kV, in particular at most 5 kV. For example, they can each be designed for an operating voltage between 1 kV and 9 kV, in particular between 3 kV and 4.5 kV. In contrast to even higher voltages, this range of voltages also offers a large selection of inexpensive and reliable standard components.
Allgemein bevorzugt können bei der Vorrichtung die n Stromrichter als Gleichrichter ausgestaltet sein. Mit anderen Worten können sie dazu ausgestaltet sein, um aus einem Wechselstrom einen in die Leiteradern der Übertragungsleitung einzuspeisenden Gleichstrom umzuwandeln. Bei dieser Art der Einspeisung eignet sich dann die gesamte Übertragungsvorrichtung dazu, um eine ursprünglich in Form von Wechselstrom zur Verfügung stehende elektrische Energie innerhalb der Übertragungsleitung als Gleichstrom zu transportieren.Generally preferred in the device, the n power converters can be configured as a rectifier. In other words, they may be configured to convert an alternating current into a direct current to be fed into the conductor wires of the transmission line. With this type of feed, the entire transmission device is then suitable for transporting a power, which was originally available in the form of alternating current, within the transmission line as direct current.
Alternativ oder - besonders bevorzugt - zusätzlich zu dieser Ausführung mit jeweils einem Gleichrichter pro Leiterader kann die Vorrichtung auch n Wechselrichter umfassen. Mit anderen Worten kann die Vorrichtung mit n Stromrichtern ausgestattet sein, welche den als Gleichstrom übertragen Nennstrom auf der Verbraucherseite in einem Wechselstrom wandeln können.Alternatively or - particularly preferred - in addition to this embodiment, each having one rectifier per conductor core, the device may also comprise n inverters. In other words, the device may be equipped with n power converters, which can convert the DC transmitted rated current on the load side in an alternating current.
Unabhängig von der genauen Ausführung der Stromrichter (z.B. als Gleichrichter, Wechselrichter und/oder Umrichter) können diese beispielsweise als IGBTs (für englisch: „Insulated-Gate Bipolar Transistor), als Thyristoren und/oder als MOSFET (für englisch: metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) ausgestaltet sein.Regardless of the exact design of the power converters (eg as rectifiers, inverters and / or inverters), these can be implemented, for example, as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), as thyristors and / or as MOSFETs (for metal oxide). Semiconductor field-effect transistor) be configured.
Die Vorrichtung zur Gleichstromübertragung kann allgemein bevorzugt für eine Übertragungsleistung von wenigstens 10 MW, insbesondere sogar wenigstens 400 MW oder sogar wenigstens 1 GW ausgelegt sein. Mit dem vorab beschriebenen Leitungskonzept können derart hohe Leistungen vorteilhaft übertragen werden, ohne dass die einzelnen Stromrichter für einen derartigen Leistungsbereich ausgelegt sein müssen. Dies wird durch die Übertragung bei insgesamt niedriger Spannung und durch die Aufteilung in parallele Teilstrompfade erreicht.The DC transmission device may generally be preferably designed for a transmission power of at least 10 MW, in particular even at least 400 MW or even at least 1 GW. With the previously described line concept, such high powers can advantageously be transmitted without the individual power converters having to be designed for such a power range. This is achieved by transmission at low overall voltage and by splitting into parallel sub-current paths.
Bevorzugt kann die Übertragungsvorrichtung im Bereich der supraleitenden Übertragungsleitung in einem Gleichstrom-Spannungsbereich betrieben werden, welcher innerhalb der Spannungsspezifikation eines einzelnen Stromrichters liegt. Bei dieser Ausführungsform genügt es, dass jeder Leiterader (oder jeder Gruppe von Leiteradern) insbesondere nur ein Gleichrichter und/oder nur ein Wechselrichter zugeordnet ist. Diese Ausführungsform ist wegen ihres geringeren apparativen Aufwands besonders bevorzugt. Sie kann auch mit den beschriebenen mehradrigen Konzept besonders gut realisiert werden, da durch die parallele Stromführung in den einzelnen Leiteradern eine hohe Leistung übertragen werden kann, ohne dass hierfür ein hohes Spannungsniveau benötigt wird.Preferably, the transmission device can be operated in the region of the superconducting transmission line in a DC voltage range, which lies within the voltage specification of a single power converter. In this embodiment, it is sufficient that each conductor core (or each group of conductor wires) is assigned in particular only one rectifier and / or only one inverter. This embodiment is particularly preferred because of its lower equipment cost. It can also be realized particularly well with the described multi-core concept, since a high power can be transmitted by the parallel current conduction in the individual conductor leads, without requiring a high voltage level.
Wenn jedoch zur Übertragung der vorgegebenen Leistung tatsächlich eine höhere Spannung an den einzelnen Leiteradern benötigt wird, dann kann alternativ eine Serienschaltung mehrerer Gleichrichter und/oder mehrerer Wechselrichter an dem jeweiligen Ende der Übertragungsleitung zum Einsatz kommen. Mit einer solchen Serienschaltung kann ein größerer Spannungsbereich zugänglich gemacht werden als mit einem einzelnen Stromrichter der jeweiligen Ausgestaltung (insbesondere einem einzelnen Gleichrichter oder Wechselrichter pro Ader).However, if a higher voltage at the individual conductor wires is actually required to transmit the given power, then alternatively a series connection of several rectifiers and / or several inverters can be used at the respective end of the transmission line. With such a series connection, a larger voltage range can be made accessible than with a single power converter of the respective configuration (in particular a single rectifier or inverter per wire).
In einer allgemein bevorzugten Ausführungsform sind alle supraleitenden Leiteradern der beschriebenen Übertragungsleitung zum Transport von Gleichstrom mit untereinander gleicher Polarität ausgelegt. Es handelt sich dann also um eine einpolige Übertragungsleitung. Bei dieser Ausführungsform kann es besonders bevorzugt sein, wenn die Vorrichtung zur Stromübertragung eine zweite derartige Übertragungsleitung zur Übertragung von Gleichstrom mit der entgegengesetzten Polarität aufweist. Mit anderen Worten handelt es sich dann insgesamt um eine Übertragungsvorrichtung zur zweipoligen Gleichstromübertragung in zwei getrennten einpoligen Übertragungsleitungen. Alternativ zu dieser Ausführungsform ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, nur eine solche einpolige Übertragungsleitung zu verwenden und den Stromkreis über eine Masseleitung zu schließen.In a generally preferred embodiment, all the superconducting conductor wires of the described transmission line are designed for the transport of direct current with mutually identical polarity. It is then a single-pole transmission line. In this embodiment, it may be particularly preferable for the power transmission device to have a second such transmission line for transmitting direct current of the opposite polarity. In other words, it is then a total transmission device for two-pole DC transmission in two separate single-ended transmission lines. As an alternative to this embodiment, however, it is basically also possible to use only such a single-pole transmission line and to close the circuit via a ground line.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Gleichstromübertragung nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt, -
2 eine supraleitende Übertragungsleitung einer solchen Vorrichtung nach einem zweiten Beispiel der Erfindung im schematischen Querschnitt zeigt, -
3 eine supraleitende Übertragungsleitung nach einem dritten Beispiel im schematischen Querschnitt zeigt, -
4 Teile einer supraleitenden Übertragungsleitung nach einem vierten Beispiel im schematischen Längsschnitt zeigt, -
5 eine Übertragungsleitung nach einem fünften Beispiel im schematischen Querschnitt zeigt, -
6 eine Übertragungsleitung nach einem sechsten Beispiel im schematischen Querschnitt zeigt und -
7 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Stromübertragung nach einem siebten Beispiel zeigt.
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1 1 shows a schematic representation of a device for direct current transmission according to a first example of the invention, -
2 shows a superconducting transmission line of such a device according to a second example of the invention in a schematic cross section, -
3 shows a superconducting transmission line according to a third example in schematic cross section, -
4 Shows parts of a superconducting transmission line according to a fourth example in a schematic longitudinal section, -
5 shows a transmission line according to a fifth example in schematic cross section, -
6 shows a transmission line according to a sixth example in schematic cross section and -
7 shows a schematic diagram of a device for power transmission according to a seventh example.
Allgemein sind hier gleiche oder ähnlich wirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.In general, the same or similar elements here are marked with the same reference numerals.
In
Die einzelnen Leiteradern
Im gezeigten Beispiel der
Bei einer beispielhaften Dimensionierung der elektrischen Eigenschaften der Übertragungsvorrichtung
Bei einer alternativen beispielhaften Dimensionierung der elektrischen Eigenschaften können die Stromrichter und die Leiteradern jedoch auch für einen etwas höheren Spannungsbereich ausgelegt sein. Beispielhaft seien folgende Werte für Nennspannungen und Nennströme genannt, die mit Standardbauteilen relativ einfach realisiert werden können:
- - Für die Gleichrichter und/oder die Wechselrichter können IGBTs eingesetzt werden, welche für eine
3,3 kV und einenNennspannung von etwa 1,5 kA ausgelegt sind.Nennstrom von etwa - - Für die Gleichrichter und/oder die Wechselrichter können IGBTs eingesetzt werden, welche für eine
Nennspannung von etwa 4,5 kV und einen Nennstrom von etwa 3 kA ausgelegt sind. - - Für die Gleichrichter und/oder die Wechselrichter können Thyristoren eingesetzt werden, welche für eine
Nennspannung von etwa 3,6 kV und einenNennstrom von etwa 0,9 kA ausgelegt sind. - - Für die Gleichrichter und/oder die Wechselrichter können Thyristoren eingesetzt werden welche für eine Nennspannung von etwa 7 kV und einen
1,3 kA ausgelegt sind.Nennstrom von etwa
- - For the rectifier and / or the inverters IGBTs can be used, which are designed for a nominal voltage of about 3.3 kV and a rated current of about 1.5 kA.
- - For the rectifier and / or the inverters IGBTs can be used, which are designed for a nominal voltage of about 4.5 kV and a rated current of about 3 kA.
- - For the rectifier and / or the inverters, thyristors can be used, which are designed for a nominal voltage of about 3.6 kV and a rated current of about 0.9 kA.
- - For the rectifier and / or the inverters thyristors can be used, which are designed for a nominal voltage of about 7 kV and a rated current of about 1.3 kA.
Die konzentrisch ineinander geschachtelten Leiteradern
Der radial innenliegende Bereich
Um die zueinander konzentrischen Leiteradern im Verhältnis zur vakuumisolierten Hülle
In
Im Beispiel der
Ein allgemeiner Vorteil der spiralförmigen Anordnung der Leiteradern
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