DE1170483B

DE1170483B - Supraleitendes Wechselstromkabel

Info

Publication number: DE1170483B
Application number: DES85095A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wilhelm Kafka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-05-08
Filing date: 1963-05-08
Publication date: 1964-05-21

Description

In Supraleitern treten bei technischen Frequenzen Supraleitendes Wechselstromkabel Verluste auf, die einerseits eine intensive Kühlung erfordern und andererseits die Ausnutzbarkeit der Supraleiter sehr behindern. Dies kann bei supraleitenden, mit 50 Hz gespeisten Wechselstromkabeln so weit gehen, daß sich die kostspielige Wärmeisolation und die Kühleinrichtung nicht lohnen und die Wirtschaftlichkeit der ganzen Stromübertragung in Frage gestellt ist.
In letzter Zeit haben sich die sogenannten harten Supraleiter eingeführt, da sie eine weitaus größere Strombelastbarkeit aufweisen als die weichen Supraleiter. Harte Supraleiter bestehen aus Verbindungen' zweier Metalle, wie z. B. Niob, Zirkon, Gallium oder Vanadium. Diesen harten Supraleitern ist eigentümlich, daß sie aus einem in normalleitendem Material eingebetteten, über den ganzen Leiterquerschnitt verteilten Geflecht von sich aus im wesentlichen längs des Leiters erstreckenden supraleitenden Stromfäden bestehen.
Es wurde nun erkannt, daß bei Beaufschlagung eines harten Supraleiters mit einer sich zeitlich ändernden Gleichspannung, wie dies beim Einschalten einer Gleichspannung vorübergehend und beim Anlegen einer Wechselspannung dauernd der Fall ist, die Stromführung zunächst nur in den an der Leiterperipherie gelegenen Stromfäden erfolgt. Sobald nun mit steigendem Strom in diesen Fäden die für die Supraleitung kritischen Werte, nämlich der kritische Strom und die kritische Feldstärke, erreicht werden, erlischt in ihnen die Supraleitung, und ein Übergang des Stromes auf weiter innen liegende Fäden erfolgt unter Entwicklung von Verlustwärme, da die magnetische Energie des Magnetfeldes um die vorher stromdurchflossenen Randfäden abgebaut werden muß. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß diese Übergangsverluste praktisch vollständig vermieden werden können, wenn die Strombelastung jedes Randfadens des Supraleiters kleiner ist als der kritische Fadenstrom. Es erweist sich daher bei Wechselstromkabeln aus harten Supraleitern als günstig, nicht den vollen Querschnitt der Bemessung zugrunde zu legen, sondern die Stromfäden in den Randschichten heranzuziehen. Der Strom hat dann keine Veranlassung, in den Supraleiter einzudringen.
Bei einem Wechselstromkabel mit zwei durch eine Isolierschicht getrennten koaxialen Supraleitern besteht die Erfindung darin, daß für den Aufbau des Kabels harte Supraleiter verwendet sind, deren Stromleitung in einzelnen Stromfäden erfolgt, und daß zur Energieübertragung nur die der Isolierschicht benachbarte Randschichten herangezogen sind. Zur Bestimmung des Mindestdurchmessers kann man folgende Formel anwenden: wobei D der äußere Randdurchmesser des inneren ' konzentrischen Leiters, H# O die kritische Feldstärke des harten Supraleiters beim Strom 0, o die kritische Stromdichte des harten Supraleiters beim Magnetfeld 0, d, der Durchmesser der supraleitenden Fäden und I die Amplitude des größten Kabelstromes, der ohne wesentliche Wechselstromverluste übertragen werden soll, ist.
H,8 und j"8 können an Proben des harten Supraleiters bestimmt werden. Die Fadendicke df ist für verschiedene harte Supraleiter ungefähr bestimmbar und liegt in der Größenordnung von 10-e cm. Um kleine Durchmesser zu erhalten wird man solche harten Supraleiterschichten bevorzugen, die neben einer großen kritischen Feldstärke H" und einer großen Stromdichte j,8 auch einen großen Fadendurchmesser df aufweisen. Als derartiges* Material kann z. B. Niob-Zirkon (NbZr) oder Vanadium-Gallium (VGa) verwendet werden.
In der Figur ist ein Querschnitt durch ein Wechselstromkabel aus supraleitenden Schichten dargestellt, deren Durchmesser entsprechend der erfindungsgemäßen Bemessungsregel ausgeführt ist. Die supraleitenden Schichten 1 und 2 befinden sich auf Trägern 3 und 4, welche beispielsweise aus metallischen Rohren bestehen können. Dazwischen befindet sich das Isolationsmittel n. Dieses kann aus Hochvakuum bestehen, wobei die konzentrischen Leiter 1 und 2 dann gegeneinander durch isolierende Abstandsstücke abzustützen sind. Es ist auch möglich, den Zwischenraum zwischen den beiden konzentrischen Leitern durch feste Isolationsstoffe, wie z. B. Teflon, oder bestimmte, bei der niedrigen, für die Supraleitung erforderlichen Temperatur fest werdende Öle auszufüllen, so daß die elektrischen Verluste genügend klein gehalten werden können. Im Innern des rohrförmigen Trägers 4 befindet sich beispielsweise flüssiges Helium als Kühlmittel. An das äußere Trägerrohr 4 schließt sich nach außen die Wärmeisolation 6 an oder ein weiterer ringförmiger Zwischenraum, der von flüssigem Helium gekühlt wird.

Claims

Patentansprüche: 1. Wechselstromkabel mit zwei durch eine Isolierschicht getrennten koaxialen Supraleitern. dadurch gekennzeichnet, daß für den Aufbau des Kabels harte Supraleiter verwendet sind, deren Stromleitung in einzelnen Stromfäden erfolgt, und daß zur Energieübertragung nur die der Isolierschicht benachbarten Randschichten herangezogen sind.
2. Wechselstromkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der inneren Randschicht nach folgender Formel bemessen ist wobei D der äußere Randdurchmesser des inneren konzentrischen Leiters, HCa die kritische Feldstärke des harten Supraleiters beim Strom 0, die kritische Stromdichte des harten Supraleiters beim Magnetfeld 0, df der Durchmesser der supraleitenden Fäden und I die Amplitude des größten Kabelstromes, der ohne wesentliche Wechselstromverluste übertragen werden soll, ist.
3. Wechselstromkabel nach Anspruch 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Schichten aus Niob-Zirkon (NbZr) oder Vanadium-Gallium (VGa) bestehen.