DE1665599C3 - Tieftemperaturkabel für Energieübertragung - Google Patents

Description

peraturleiter elektrisch leitend verbunden ist. halten werden soll.

5. Tieftemperaturkabel nach Anspruch 4, da- 4° Es sind Konstruktionen fur rieftemperaturkabcl durch gekennzeichnet, daß das äußere der beiden bekannt, bei denen die elektrische Isolation der Leikonzentrisch angeordneten Rohre mit einem ter innerhalb der thermischen Isolation angeordnet elektrisch gut leitenden oder elektrisch halblei- ist (Zeitschrift »Elektrotechnik und Maschinenbau,, tenden Belag wie metallisiertes Papier oder Car- 1965, Seite 280; Zeitschr.fi »E<:ktne«, 1965, bonpapier versehen ist, der in axialer Richtung 45 Seite 265). Wenn diese Kabel mit Wechselstrom betnehrmals mit dem Tieftemperaturleiter elektrisch trieben werden oder wenn bei CileichMrombeirieb verbunden ist dieser Kabel starke Belastungsschwankungen auftre-

6. Tieftemperaturkabel nach Anspruch 4 oder 5, ten, so ergeben sich in der Isolation dielektrische dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrisch Verluste, deren Wert ein Vielfaches der Lciterverluangeordneten Rohre zur Vermeidung von Wir- 50 ste betragen kann. Die Abführung dieser Verluste ist beiströmen aus elektrisch nichtleitendem Mate- bei den genannten Wirkungsgraden der Kunlmaschirial bestehen nen kostspielig und setzt den Wirkungsgrad der

7 Tieftemperaturkabel nach Anspruch 6, da- übertragung sowie die Übertragungsgrenze herab,

durch gekennzeichnet, daß als nichtleitendes Ma- Bei einem weiterhin bekannten Tieftemperaturka-

terial ein Verbundmaterial aus Glasgewebe mit 55 bei ist die elektrische Isolation des Leiters außerhalb

Kunststoff vorgesehen ist. der thermischen Isolation angeordnet. Die elektrische

8. Tieftemperaturkabel nach einem der An- Isolation ist hierbei unmittelbar vom eigentlichen Sprüche 4 bis 7, bei dem die konzentrisch an- Kabelmantel umgeben (JA-AS 38-19 229). Bei dieser geordneten Rohre auf der dem evakuierten Zwi- bekannten Konstruktion wird die Temperatur der schenraum zugewandten Seite verspiegelt sind, 60 elektrischen Isolation und damit die Temperatur der dadurch gekennzeichnet, daß die Verspiegelung äußeren Umgebung des Leiters auf Grund der dilängs des Kabels mehrmals ringförmig unterbro- elektrischen Verluste in der Isolation erhöht. Auf dien ist. Grund dieser Temperaturerhöhung der Umgebung

9. Tieftemperaturkabel nach Anspruch 4, da- des Leiters nimmt die trotz der thermischen Isolation durch gekennzeichnet, daß die konzentrisch an- 65 nicht zu vermeidende Wärmeleitung und Wärmeeingeordneten Rohre aus wendelförmig und über- strahlung zum tiefgekühlten Leiter hin zu, so daß der läppt gewickelten Metallstreifen (15) bestehen, Leiter auf Grund der in der elektrischen Isolation wobei die wendelförmig verlaufende Überlap- auftretenden dielektrischen Verluste erwärmt wird.

Diese zusätzliche Wärme muß durch das den Leiter kühlende Kühlmittel abgeführt werden.

Bei einer anderen bekannten Tieftemperaturkabelkonstruktion ist ein innenliegendes, mit Helium gefülltes Rohr, das die supraleitende Schicht trägt oder den Supraleiter des Kabels enthält, zunächst von einer thermischen Isolation in Forn. eines Vakuumi ntels mngeben. Dieser Vakuummantel ist seinerseits von einer Umhüllung umgeben, die mit flüssicem Stickstoff gefüllt ist. Ein weiterer, ebenfalls zur thermischen Isolation dienender Vakuummantel umgibt wiederum die mit flüssigem Stickstoff gefüllte Umhüllung (Zeitschrift »Proceeding World Power Conference« 1954, Seiten 1954 bis 1971, insbesondere Seite 1965). Bei der mit flüssigem Stickstoff gefüllten Umhüllung handelt es sich um einen in der Tiefiemperaturte"hnik üblichen Strahlungsschild, der eine Einstrahlung von Wärme von der Außenseite des Kabels zu dem mit Helium gefüllten Rohr hin verhindern soll. Dieser Strahlungsschilu ist also innerhalb der eigentlichen thermischen Isolation aus Vakuummänteln angeordnet und bildet selbst einen Teil dieser thermischen Isolation. Zusätzlich soll die mit Stickstoff gefüllte Umhüllung auch als elektrische Isolation des Tieftemperaturkabels dienen. Der flüssige Stickstoff ist also gleichzeitig Kühlmittel und Dielektrikum. Ein solcher Aufbau des Tieftemperaturkabels birgt jedoch Unsicherheiten im Hinblick auf die elektrische Festigkeit der Isolation in sich und kann daher nicht als eine glückliche Lösung bezeichnet werden. Im übrigen ist die elektrische isolation innerhalb der thermischen Isolation des Kabels angeordnet, so daß nachteilige Wirkungen auf die Kühlung des Leiters nicht auszuschließen sind.

An sich ist ei weiterhin bekannt, bei Hochspannungskabeln, die unter normalen Temperaturbedineunsen betrieben werden, die Übertragungsleistung dadurch heraufzusetzen, daß das Kabel mit einem flüssigen Kühlmittel gekühlt wird. Hierzu ist beispielsweise bei einem kunststoffisolierten Hochspannuneskabel vorgesehen, daß zwischen dem hohlen Leiter und der Kunststoffisolierung mit Hilfe einer Abstand haltenden Wendel ein Hohlraum geschaffen wird der von einem flüssigen, elektrisch leitenden Kühlmittel in entgegengesetzter Richtung wie der hohle Leiter durchströmt wird. Die deiart ausgebildete Kabelader befindet sich ihrerseits in einem Rohr das ebenfalls mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllt ist (USA.-Patentschrift 3 111 551).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Tieftemperaturkabeln, die eine thermische und eine elektrische Isolierung aufweisen, durch eine verbesserte Kabelkonstruktion den für die Wärmeabführung erforderlichen Kühlaufwand zu verringern, ohne die elektrische Festigkeit des Kabels nachteilig zu beeinflussen.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einem Tieftemperaturkabel aus, das einen durch ein Kühlmittel kühlbaren Tieftemperaturleiter enthält der unmittelbar mit einer aus wenigstens einem evakuierten Hohlraum bestehenden thermischen Isolation umgeben ist, die ihrerseits von einer elektrischen Isolation aus festem Isoliermaterial umgeben ist Gemäß der Erfindung ist zur Kühlung der aus einem festen Isoliermaterial bestehenden elektrischen Isolation ein die Außenseite dieser Isolation umgebendes zweites Kühlmittel von höherer Temperatur als das erste Kühlmittel vorgesehen.

Bei einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Tieftemperaturkabel läßt sich üie Kühlung des Tieftemperaturleiters mit erheblich geringerem Aufwand durchführen. Dies wird durch die Anwendung eines zweiten Kühlmittels zur Kühlung der elektrischen Isolation erreicht, wobei die Temperatur dieses zweiten Kühlmittels höher liegt als die Temperatur des zur Kühluag des Leiters vorgesehenen Kühlmittels. Durch das zweite Kühlmittel wird nämlich die in der ίο elektrischen Isolation entstehende Wärme abgeführt, so daß eine Erwärmung der elektrischen Isolation gegenüber der äußeren Umgebung des Kabels und damit eine zusätzliche Erwärmung des Leiters durch erhöhte Wärmeleitung bzw. Wärmeeinstrahlung vermieden ist. Es ist sogar möglich, die Temperatur der elektrischen Isolation durch die Kühlung gegenüber der Temperatur der äußeren Umgebung des Kabels abzusenken und damit die Wärmeeinstrahlung bzw. Wärmeeinleitung zum Leiter noch weiter zu verrinao gern. Durch die erfindungsgemäße Kühlung des Leiters und der elektrischen Isolation durch Kühlmitte! verschiedener Temperatur bei gleichzeitiger thermischer Isolierung des Leiters von der elektrischen Isolation wird somit eine sehr wirtschaftliche Kühlung erreicht, da der Verbrauch des zur Kühlung des Leiters selbst dienenden, besonders kostspieligen Kühlmittels mit tiefer Temperatur verringert wird, weil dieses Kühlmittel die in der elektrischen Isolation entstehende Wärme nicht mehr abführen muß. Diese Wärme wird vielmehr durch das weit weniger kostspielige auf höherer Temperatur befindliche Kühlmittel abgeführt.

Die Kühlung der elektrischen Isolation des neuen Tieftemperaturkabels erfolgt zweckmäßig in der Weise, daß die elektrische Isolation von einem mit Abstand angeordneten Druckrohr umgeben ist. wobei der Zwischenraum zwischen der elektrischen Isolation und dem Druckrohr von einem Drucköl oder Druckgas durchflossen bzw. durchströmt ist. Die Belastung des zur Kühlung des Leiters vorgesehenen Kühlkreislaufes kann dadurch weiter verringert werden, daß in Weiterbildung der Erfindung der Leiter aus vielen gegenseitig isolierten Einzeldrähten aufgebaut ist. Auf diese Weise werden die in dem Leiter entstehenden Wirbelstromverluste gesenkt.

Die bei Tieftemperaturkabeln vorgesehene thermische Isolation besteht häufig aus wenigstens einem evakuiertem Hohlraum, der durch konzentrisch angeordnete, gegebenenfalls ganz oder teilweise in axia-5° ler Richtung gewellte Rohre begrenzt ist. Bei eir-er Anwendung dieser thermischen Isolation für das neue Tieftemperaturkabel empfiehlt es sich, daß wenigstens die Oberfläche der Rohre aus Metall besteht und mit dem Tieftemperaturleiter elektrisch leitend 55 verbunden ist. Dadurch wird die elektrische Festigkeit des Kabels verbessert.. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß das Äußere der beiden konzentrisch angeordneten Rohre mit einem elektrisch gut leitenden oder elektrisch halbleitenden Belag wie 60 metallisiertes Papier oder Carbonpapier versehen ist, der in axialer Richtung mehrmals mit dem Tieftemperaturleiter elektrisch verbunden ist.

Um in der thermischen Isolation die Entstehung von Wirbelstromverlusten zu vermeiden, ist es wei-65 terhin sinnvoll, daß die konzentrisch angeordneten Rohre aus elektrisch nichtleitendem Material, wie beispielsweise einem Veibundmaterial aus Glasgewebe mit Kunststoff bestehen. Sofern die konzen-

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trisch angeordneten Rohre auf der dem evakuierten del sich außerhalb der thermischen Isolation auf dem

Zwischenraum zugewandten Seite verspiegelt sind, ist Temperaturpotential des das Kabel umgebenden Me-

es im übrigen zweckmäßig, die Verspiegelung längs diums, wird durch dieses gekühlt und ist durch einen

des Kabels mehrmals ringförmig zu unterbrechen. Schutzmantel 8 vor Beschädigung geschützt.

Hierdurch wird verhindert, daß elektrische Ströme, 5 Das in F i g. 2 dargestellte Tieftemperaturkabel ist

die beispielsweise durch Induktionswirkungen oder ein supraleitendes Kabel. Auf einem Stahlrohr 9 ist,

Aufladungen hervorgerufen werden könnten, in die- elektrisch isoliert von diesem, eine Supraleiterschicht

ser Spiegelschicht entlang des Kabels fließen. 10 aufgebracht und diese in ähnlicher Weise wie bei

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von dem Aluminiumkabel nach F i g. 1 von gewellten

zwei in den F i g. 1 bis 4 dargestellten Ausführungs- io Rohren 3 und 4, einer Halbleiterschicht 6 und einer

beispielen des neuen Tieftemperaturkabels näher er- elektrischen Isolationsschicht 7 umgeben. Durch den

läutert. Es zeigt Hohlraum 2 des Strahlrohres wird zur Kühlung des

F i g. 1 ein kryoleitendes Tieftemperaturkabel in Supraleiters flüssiges Helium geleitet. Die elektrische

perspektivischer Ansicht, Isolationsschicht 7 ist von einem Druckrohr 11 um-

Fig.2 ein supraleitendes Tieftemperaturkabel im 15 geben und der Zwischenraum von Drucköl durch-

Querschnitt, flössen. Das Drucköl vergrößert die Spannungsfestig-

F i g. 3 einen aus mehreren Einzelleitern bestehen- keil und wirkt zugleich als Kühlmedium für die Iso-

den kryoleitenden Tieftemperaturleiter, lationsschicht.

Fig.4 ein die thermische Isolation begrenzendes Bskanntlich ergibt sich bei Leitern hoher Leitfä-

Rohr. 20 higkeit, z.B. solchen aus Aluminium bei 2O⁰K, die

Das in F i g. 1 dargestellte Tieftemperaturkabel Wechselstrom führen, eine schlechte Ausnutzbarkeit enthält einen rohrförmigen Tieftemperaturleiter 1 aus des L-eiterquerschnittes, weil die schon von Kupfer-Reinstaluminium, durch dessen Hohlraum 2 Helium- leitern bei Raumtemperatur her bekannte Stromvergas mit einer Temperatur von etwa 20° K geleitet drängung (Skin-Effekt) bei dem geringen Widerstand wird. Der Tieftemperaturleiter ist von zwei koaxialen »5 des Tieftemperaturleiters eine überragende Rolle Rohren 3 und 4 aus Kunststoffverbundmaterial um- spielt. Es ist deshalb oft zweckmäßig, den Leiter aus geben, die in axialer Richtung gewellt sind und durch vielen Einzelleitern aufzubauen. Damit diese Einzelwendelförmig verlaufende Kunststoffstreifen S auf leiter gleichmäßig ausgenutzt werden, sollen sie längs Abstand gehalten werden. Der Zwischenraum zwi- des gesamten Kabels ihre Lage in radialer Richtung sehen den beiden gewellten Rohren ist im Betriebs- 30 gleichmäßig verändern, um gleiche Feldverkettung zu zustand evakuiert und wirkt als thermische Isolation. erzielen. Wie dies geschehen kann, ist in Fi g. 3 skiz-Die Welligkeit der Rohre erhöht deren Flexibilität ziert. Fig.3 zeigt senkrechte Querschnitte des Bun- und bewirkt, daß die Kunststoffstreifen S nur punkt- delleiters in vorgegebenem Abstand mit einem darförmige Berührungsstellen mit den Rohren haben, gestellten Einzelleiter 12. Dieser verändert seine so daß der Wärmeübergangswiderstand hierdurch 35 Lage von außen nach innen (I bis III) und dann von nicht wesentlich verschlechtert wird. Um einen War- innen nach außen (HI bis V). Mit 13 ist der innere meübergang durch Strahlung zu verhindern, sind die und mit 14 der äußere Radius des Leiters bezeichnet. Rohre auf der dem evakuierten Zwischenraum züge- An Stelle der gewellten Rohre 3 und 4, entsprewandten Seite verspiegelt. An das äußere gewellte chend der Anordnungen nach den F i g. 1 und 2, Rohr aus Kunststoff Verbundmaterial schließt sich 40 kann auch eine Rohrform verwendet werden, die, eine Schicht 6 aus Halbleitermaterial an, die eine un- wie F i g. 4 zeigt, aus einem wendelförmig und übergleichmäßige Aufladung dieses Rohres und damit läppt gewickelten Metallstreifen 15 besteht, wobei eine ungleichmäßige Belastung der sich anschließen- die wendelförmig verlaufende Überlappungszone den rohrförmigen elektrischen Isolierung? verhin- durch ein elastisches Kunststoffband 16 abgedichtet dert. Die rohrförmige elektrische Isolierung? befin- 45 ist.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (4)

pungszone durch ein elastisches Kunststoffband (16) abgedichtet ist. Patentansprüche:

1. Tieftemperaturkabel zur Energieübertragung mit einem durch ein Kühlmittel kühlbaren
Tieftemperaturleiter, einer diesen Tieftempera-

turleiter unmittelbar umgebenden, aus wenigstens Um relativ ,ff^
einem evakuierten Hohlraum bestehenden ther- i· liehst kleinen Verlusten ü

mischen Isolation und einer diese thermische Iso- neuerer Zeit der Einsatz

lation umgebenden elektrischen Isolation aus fe- vorgesehen worden. D ^ese JJ , ·

stem Isoliermaterial dadurch gekenn- sehr reinen Metallen, insbesondere aus Aluminium,

ζ e?ch ntt Tß zur' Kühlung der aus einem fe- oder aus Metallen, deren e ektnscher Widerstand m steDlsdiermaJriaibestehende^ Cektrischen Iso- _l5 der Nähe des absoluten Nullpunktes.verschwinde,

lation ein die Außenseite dieser Isolation (7) um- Zum Betneb dieser Kabel müssen die Leiter auf

gebendes zweites Kühlmittel von höherer Tempe- Temperaturen von 4 bis 8 K bzw von etwa 20 K

ratur als das erste Kühlmittel vorgesehen ist. gehalten werden. Hierzu werden d.e Leiter mit fluss,-

2. Tieftemperaturkabel nach Anspruch 3, da- gern oder gasförmigem Helium oder Sauerstoff gedurch gekennzeichnet, daß die elektrische Isola- ao kühlt; mit dem Umlauf des Kühlmedium* werden lion (7) von einem mit Abstand angeordneten gleichzeitig die .m Leiter durch den Laststrom und Druckrohr (11) umgeben ist, wobei der Zwi- durch eventuell auftretende Wirbelstrome bedingten »chenraum zwischen der elektrischen Isolation Verluste abgeführt. Außerdem muß die von außen .η und dem Druckrohr von einem Drucköl oder die Tieftemperaturzone eintretende Warme abgeführt Druckgas durchflossen bzw. durchströmt ist. »5 werden. Um diese Wärmemenge rnogl.chst klein zu

3. Tieftemperaturkabel nach Anspruch 1 halten, vnd die Tieftemperaturkabel m.t einer ther-Cder2 zur Übertragung von Wechselstrom, da- mischen Isolation ausgestattet, die im wesentlichen durch gekennzeichnet, daß der Leiter zur Sen- aus wenigstens einem evakuierten Hohlraum besteht. kung der Wirbelstromverluste aus vielen gegen- Trotz dieser Maßnahme arbeiten d.e Kuhlmaseh.nen. seitig isolierten Einzelleitern aufgebaut ist. 30 die zur Erzeugung der tiefen Temperatur des Kuhl-

4 Tieftemperaturkabel nach einem der An- mittels benötigt werden, mi- Wirkungsgraden ent-

tpriiche 1 bis 3, bei dem die thermische Isolation sprechend einer zuzuführenden Leistung von 50 bis

aus wenigstens einem evakuierten Hohlraum be- 100 Watt je abzuführendes Watt in der Tieftempera-

steht, der durch konzentrisch angeordnete, gege- turzone, wenn diese auf einer Temperatur vor. etwa

benenfalls ganz oder teilweise in axialer Richtung 35 20° K gehalten werden soll, und entsprechend einer

gewellte Rohre begrenzt ist, dadurch gekenn- zuzuführenden Leistung von 500 bis 1000 Watt je

teichnet, daß wenigstens die Oberfläche der abzuführendes Watt in der Tieftemperatur/one.

Rohre aus Metall besteht und mit dem Tieftem- wenn diese auf eine Temperatur von 4 bis 6 k ge-