DE1590268A1

DE1590268A1 - Supraleitendes elektrisches Kabel

Info

Publication number: DE1590268A1
Application number: DE19661590268
Authority: DE
Inventors: Georges Klein; Edmond Kloeckner
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1965-11-10
Filing date: 1966-11-10
Publication date: 1970-04-16
Also published as: GB1115979A; CH449089A; ES333193A1; BE689388A; FR1473906A; NL6615857A; LU52327A1; US3414662A; SE349688B

Description

IT⁰ 2760 PATENTANWÄLTE

cr/dea D^-·' ' ·ν-)ηέ 1590268

⁷ DIPL. ir:r, c - ..·. , :;...'/:ANITZ «OiiU^OO

8 MÖNCHE.. -J. I.G..L·;; .-.i.^H-STR.! _ —«

TELEFON 2251 10

C 7 6 4

8. Nov. 1966

CORiPAGKIE GENERALE D'ELECTRICITE 54, rue la Boetie, Paris (8^e), Frankreich

Supraleitendes elektrisches Kabel

Gegenstand der Erfindung ist ein supraleitendes Kabel.

Mit einem solchen Kabel soll Gleich- oder Wechselstrom mit einer Leistung von 100 bis 1 000 MW bei einer Spannung von vorzugsweise mehr als 10 kV übertragen werden. Zur Erzielung eines maximalen Wirkungegrades wird ein Kabelaufbau verlangt, der unmittelbare Kühlung des oder der Leiter gestattet.

Schliesslich wird ein Kabel gefordert, dessen Mittelteil sich leicht auf eine Trommel wickeln lässt, um den Transport und das Verlegen zu erleichtern.

Die Erfindung hat ein diesen Anforderungen entsprechendes Kabel zum Gegenstand.

Dieses Kabel ist bekannter Art u*d besteht aus einer bestimmten Anzahl parallel aufeinandergeschiehteter, gegeneinander isolierter supraleitender Bänder, die so verbunden sind, dass jedes Band einen Strom in Gegenrichtung zu demjenigen der benachbarten Bänder überträgt. Mit anderen Worten, die Bänder ungerader Zahl leiten einen Strom in einer Richtung und die Bänder gerader Zahl einen Strom in der entgegengesetzten Richtung. Durch diese Anordnung ist das Magnetfeld in der Umgebung eines jeden Bandes die Resultante des von dem durch

009816/0875 original inspected

es hindurchfliessenden Strom erzeugten Magnetfeldes und der durch, die in den "benachbarten Bändern in umgekehrter Richtung fliessenden Ströme hervorgerufenen Magnetfelder. Das so entstandene PeId ist also "bedeutend schwächer, als wenn die Ströme in gleicher Richtung durch alle Bänder flössen, denn es wäre dann die Summe der durch die -verschiedenen Bänder erzeugten Teilfelder. Ein "bestimmter Stoff verliert "bekanntlich bei bestimmter Temperatur eeine supraleitende Eigenschaft, sobald das magnetische Feld, von dem er durchsetzt wird, einen kritischen Stromwert erreicht oder übersteigt.

Ein in der genannten Weise hergestelltes Kabel erlaubt also bei Gleichheit aller übrigen Faktoren, Ströme bedeutend höherer Stärke als ein herkömmliches supraleitendes Zabel zu übertragen.

Dieses Ziel wird auf bekannte Weise auch dadurch erreicht, dass man röhrenförmige, konzentrische, isolierte !Leiter verwendet, wobei die Kühlung eines solchen Kabels dadurch erfolgt, dass man es in einer Hülle unterbringt, in der eine kryogene Flüssigkeit umläuft; diese kann ebenfalls im Inneren des röhrenförmigen Innenleiters fliessen.

Solche Kabel weisen jedoch gewisse Nachteile auf; sie sind unsymmetrisch im Aufbau, schwierig herzustellen, und die kryogene Flüssigkeit kann die Leiter nicht unmittelbar umspulen. -

Das supraleitende Kabel gemäss der Erfindung beseitigt diese Mangel. Dieses Kabel ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Stapel supraleitender Bänder besteht, die voneinander durch Isolierbähdergetrennt sind, wobei das Ganze derart in einer von einer kryogenen Flüssigkeit durchflossenen Hiill'e untergebracht wird, dass die Flüssigkeit mit mindestens einem Teil der Oberfläche der supraleitenden Bänder in Berührung steht und die genannte Hülle selbst von einem thermisch isolierenden Mantel ungeben wird.

• · ·■/ · · · 009816/0875

_ ^590268

G-emäss einer bevorzugten' Ausführungsform des erfindungsgemassen Kabelssind die jeweils zwei supraleitende Bänder trennenden: Isolierbänder 'breiter als die letztgenannten und ragen über: deren Seiten hinaus, um die "Durchschlagstrecke¹¹ zwischen ... ■ zwei benachbarten Bändern, zu vergrössern. - ■

Die .supraleitenden Bänder können, aus supral.eitendem Metall, wie Niobium,oder aus, mit einem supraleitenden Stoff überzogenen oder umhüllten flexiblen Eat er ial, z.B. aus einem mit Niobium oder Blei überzogenen Stahlband, oder einem mit Blei überzo gen en,- unter dem Warenzeichen ¹¹I-IiLAR'" bekannten Stoff bestehen.· ■ ■ . - " - . ■ - - - ...

Die Pig. 1, 2-und .3 stellen je einen Querschnitt von drei Ausführungsarten eines mit Gleichstrom betriebenen Kabels . gemäss der Erfindung dar. ■ .

Fig., Λ ist ein Längsschnitt des Kabels .gemäss Fig. 3. Die Fig.■5 und ο zeigen Kabelkerne für Wechselstrom.

In-Fig. 1 bezeichnen 1, 1', 1" die Bänder aus supraleitendem Stoff und 2 j 2', 2" die dazwischenliegenden Isolierbänd'er.

Der so angefertigte Stapel ist in einer aus elektrisch isolierendem Kunststoff hergestellten Hülle 3 untergebracht, in der eine kryogene Flüssigkeit 4,z.B. flüssiges Helium, fliesst. Der genannte Stapel wird zwischen zwei Ansätzen 15 'und. 'i'5¹ in ^r-Hülle' 3 festgehalten. ■ · ■- ■'-.--

Die. Hüll-e.,.selbst...Wird^^ thermisch durch den Mantel 5 isoliert, d:er auf-bekannte:-Art aus Schichten aus super isolier end em . Wä.rm,edämmstoff,_:u|idr,Luftschichten hergestellt ist und ausserdem eine.. VOn.;kryo-g.en-em-;.&a,s.,wie Helium, durchflossene..U,mmantelung.

Wie oben erwähnt, werden zwei Bänder 1 und 1¹ Von Strömen entgegengesetzt ei" Sichtung durchflossen (mit +1 und -I in der Fig. bezeichnet). _;

009816/0875,; .../··.

BAD ORIGINAL

, if __

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform werden die Leiter zwischen den Isolierbändern zur Vermeidung mechanischer Beanspruchung infolge der unterschiedlichen Schrumpfung des Leiters und des IsolierstoffG? bei Kälteeinwirkung nicht festgeklemmt'. Die Isolierbänder sind zu diesem Zweck profiliert, und jeweils zwei werden so zusammengeführt, dass sie eine Art Kanal bilden, in dem das supraleitende Band mit oder ohne Dichtung wie 9, 9', 9", z.B. aus einem schwammartigen Material, frei untergebracht wird.

An den Rändern der profilierten Isolierbänder sind durchgehende öffnungen 8, 8¹ und 8" vorgesehen, damit die kryogene !Flüssigkeit in den Isolierkanal eindringen und den in diesem befindlichen Leiter umspulen kann. Wie bei Ausführungsform 1 ist die Hülle 3 durch einen Mantel 5 aus superisolierendem Stoff thermisch geschützt.

Die Pig. 3 und 4 stellen im Querschnitt und Längsschnitt ein wie in Fig. 1 abgebildetes Kabel dar, wobei die Hülle 3 jedoch aus Metall,. z.B. aus einem gewelltem Aluminiumrohr besteht, um die Flexibilität des Kabels zu erhöhen. Die äusseren Leiter I und I" werden in diesem Fall durch die !Einlagen 6 und 6' von dem genannten Rohr isoliert.

Diese drei Ausführungsarten des Kabels gemäss der Erfindung gewährleisten eine gute Kühlung der Leiter,da die kryogene Flüssigkeit mit dem supraleitendem Material unmittelbar in Berührung steht.

An Hand der nachstehenden Berechnungsbeispiele wird gezeigt, dass ein gemäss der Erfindung aufgebautes Kabel Ströme mit einer Leistung von 100 bis 1 000 MW übertragen kann, wobei der Kern einen genügend kleinen Querschnitt aufweist, um auf einer Kabeltrommel üblichen Durchmessers aufgerollt werden zu können.

Nimmt man als js den im Supraleiter zulässigen Strombelag, al.s d die Breite des supraleitenden Bandes und als 2 η die Gesamtzahl der verwendeten Bänder an, so ist der übertragene Gesamtstrom I

009816/0875

Das Spannungsgefälle an den Rändern des Leiters muss hierbei niedriger gehalten werden als die Ionisierungsspannung der Kühlflüssigkeit.

Unter diesen Bedingungen ist die-Betriebsspannung in erster Annäherung proportional der Dicke des Isolierstoffs, d.h. U = Ee, wobei mit E der Höchstwert des zulässigen elektrischen Magnetfeldes im Dielektrikum und mit e die Dicke der Isolierschicht bezeichnet ist. Die übertragene G-leichstromleistung .ist P = UI-js En ed. . .

Da bei Mittelspannungen das Volumen des Leiters gering gegenüber demjenigen des Isolierstoffs ist, stellt ned den Querschnitt S des KabeO5 dar, und man erhält somit ί P = js ES.

Durch dieses Verhältnis wird gezeigt, dass die von der Leitung übertragene Leistung proportional dem Querschnitt des Kabells ist.

Bei einem Band aus Niobium ist zum Beispiel :

Js= 1,5 10⁵ A/m-

Bei einem Isolierstoff aus Teflon erhält man :

E= 10 ^l V/m ·

Bei einem Kabelkern mit einem Querschnitt von 10 m2 kann man

eine Leistung ung.efähr folgender Grössenordnung übertragen : • P= 1,5 1Cr χ 10' χ 1Cr* = 1,5 10'^uWpro 1 dm

Man kann diesen Y/ert auf 1.10 W/dm2 (10^MW/dm2) verringern, um die bei der Berechnung vernachlässigten Paktoren zu berücksichtigen.

Die Scheinstromdichte ja im Kabel beträgt ungefähr :

ja = is = js E

Sie ist umgekehrt proportional der Betriebsspannung. Setzt man für U = 20 kV, ergibt das gewählte Beispiel : -

_ ja = 1,5 10⁵X IQ⁷ =7,5 10⁷ A/m2 = 75 A/mm2

ο ' 2 104

co Zur TTbertragung einer Leistung von 150 MW bei einer Spannung von ö, 20 kV benötigt man einen Leiter quer schnitt von 100 mm2, da die >■'■■■ Stromstärke 7500 A beträgt.

!^ ^ Nimmt man für d = 2,5 cm und η - 2 an, so ist die Gesamtstärke ^m äee Isolierstoffes 1 cm. (Es ist jedoch angebracht, eine Isola-■ tion von mindestens 2 mm Stärke zwischen den Leitern vorzusehen).

Zur Übertragung einer leistung von 600 MW "bei 20 kV "benötigt man, da die Stromstärke 30 000 A beträgt, einen Leiterquerschnitt von 400 mm2.

Wenn d = 5 cm und η = 4 ist, beträgt die Gesamtstärke des Isolierstoffes 1,8 cm.

Mit diesen zwei Anwendungsbeispielen wurde gezeigt, dass es möglich ist, die Kabel auf Trommeln von einigen Metern Durchmesser aufzurollen.

Die Kabel gemäss der Erfindung können zur übertragung von Wechselstrom benutzt werden, sofern ein supraleitender Stoff verwendet wird, dessen Wechselstromverluste genügend gering sind.

Die Kabel gemäss der Erfindung können auch zur Übertragung von Mehrphasenstrom benutzt werden; im Falle von Drehstrom muss das Kabel eine Anzahl von Supraleitern aufweisen, die ein Vielfaches von 3 (oder 4 bei einem Nulleiter) ist. ..

Fig. 5 zeigt als Beispiel den Querschnitt des Kerns eines er fin dungs gemäss en Kabels, das zwei Drehstromkreise mit Nulleiter, 10 bzw. 100, aufweist, von denen jeder durch 4 Leiter gebildet wird. Um den Supraleiter in ein möglichst schwaches Magnetfeld zu bringen, werden zwei Leiter unterschiedlicher Phase übereinandergelegt. In Fig. 5 bezeichnen 11 und 101 zwei Leiter in Phase,.die zu je einem Stromkreis gehören, und 12 und 102 sind die Leiter der zweiten Phase der Stromkreise usw; 14 und 104 bezeichnen die Nulleiter beider Kreise.

Die Fig. 6 zeigt den Kern eines Kabels mit drei Drehstromkreisen 20, 200 und 2000 ohne Nulleiter. Auch hier übertragen zwei benachbarte Leiter keine phasengleichen, sondern um 2 Tf~ phasenverschobene Ströme. Die Zahlen 21, 201 und 2001 bezeichnen die erste, 22, 202 und 2002 a'ie zweite und 23, und 2003 die dritte Phase jedes Stromkreises.

In Abwandlung der Ausführungaform des erfindungsgemässen Kabels kann man unter Einhaltung der oben beschriebenen Phasenfolge die Leiter in mehreren Stapeln parallel zueinander anordnen.

009816/0875 ·../...

Claims

Patentansprüche

1. Supraleitendes elektrisches Kabel, dadurch gekennzeichnet, dass -es aus einem Stap'el durch Isolierbänder getrennter supraleitender Bänder besteht, wobei der genannte Stapel in einer von einer kryogenen Flüssigkeit durchflossenen

^! Hülle untergebracht und die Isolierbänder so vorgesehen sind, dass die kryogene Flüssigkeit mit mindestens einem Teil der Oberfläche der supraleitenden Bänder in Berührung kommt.

2. Supraleitendes elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierbänder die Ränder der supraleitenden Bänder freilassen. .

3. Supraleitendes el-ektrisch.es Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierbänder breiter als die supraleitenden Bänder sind.

4. Supraleitendes elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierbände so profiliert sind, dass· sie einen Kanal bilden, in dem das supraleitende Band frei untergebracht ist, wobei der genannte Kanal Öffnungen aufweist, durch: die die kryogene Flüssigkeit in erstehen eindringen und mit cles supraleitenden Band in Berührung kommen

:. kann. - -■ "

5. Supraleitendes elektrisches Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, class das im Isolierkanal untergebrachte supraleitende Band von einem schwammartigen Material umgeben ist.-" "—:~^: ■ ^: "-' ' ."■■;.■'

6. Supraleitendes, elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, der die kryogene Flüssigkeit enthaltende Kanal aus einem Isoliermaterial besteht.

7. Supraleitendes elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch. ^ekj3nnz.eiphn.et, dass der die kryogene Flüssigkeit enthaltende Kanal aus einem Metallrohr; besteht. '

009816/0875 .../...

BAD ORIGINAL

8. Supraleitendes elektrisches Kabel nach Anspruch 7? dadurch gekennzeichnet, dass das Metallrohr gewellte Seitenwände aufweist.

9. Supraleitendes elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Bänder vollständig aus

_/r supraleitendem Metall Gestehen.

ΊΟ. Supraleitendes "elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Bänder aus einem mit supraleitendem Stoff umgebenen Träger bestehen.

11. Supraleitendes elektrisches Kabel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein Metallband ist.

12. Supraleitendes elektrisches Kabel nach'Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein Kunststoffband ist.

13. Supraleitendes elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierbänder aus Polytetrafluoräthylen bestehen.

009816/0875 .^MWlML

L e e r s e ι f e