DE1665721B2 - Supraleitendes Starkstromkabel - Google Patents

Description

duziert werden, wenn eine Stromverdrängung bei Stromanderungen verhindert wird. Dies kann durch eine Unterteilung der Supraleiter in Teilleiter geschehen. Bei starken Stromanderungen, z. B. beim Einschalten oder im Kurzschlußfall des Kabels, laßt sich eine δ Transistion des Supraleiters mit wirtschaftlichem Aufwand nicht verhindern. Damit die Erwärmung des Supraleiters in diesem Fall nicht zu groß wird, muß ein verlustarmer Parallelweg für den Strom vorgesehen werden. Dies geschieht dadurch, daß zu den Teilleitern ein Stabilisierungsleiter aus normalleitendem Material parallel geführt wird. Wird für mehrere Teilleiter ein gemeinsamer Stabilisierungsleiter vorgesehen — dies ist aus konstruktiven Gründen oft erwünscht — so muß dafür gesorgt werden, daß hierdurch die Teilleiter nicht völlig kurzgeschlossen werden und damit der durch die Unterteilung des Supraleiters erstrebte Effekt wieder aufgehoben wird. Der Querschnitt und die Kühlfläche des Stabilisierungsleiters sollen so groß sein, daß trotz .der Erwärmung auf Grund einer Einschaltstoßwelle, ao selbst bei Nennlast, der supraleitende Zustand nach dem Abklingen der Stoßwelle wieder herbeigeführt werden kann.

Wird jedem supraleitenden Teilleiter eir eigener Ncrmalleiter zugeordnet, z. B. durch Umhüllung des »5 Supraleiters mittels normalleitenden Materials, dann kann man Querströme dadurch verhindern, daß man die Leiterpaare (Supraleiter + Stabilisierungsleiter) gegeneinander isoliert. In diesem Fall tritt jedoch ein weiteres Problem auf. Auf Grund unterschiedlicher Induktivitäten der Teilleiter können zwischen ihnen größere Spannungsunterschiede entstehen. Da die elektrische Isolation wegen der damit verbundenen zwangläufigen Verschlechterung der thermischen Leitfähigkeit zwischen dem Kühlmedium und den Supraleitern nicht unbegrenzt verstärkt werden kann, muß man dafür sorgen, daß die Spannungsunterschiede zwischen den Teilleitern klein bleiben. Dies ist möglich, wenn auf einer Strecke, die wesentlich kürzer als die Wellenfront der Einschaltwellp ist, jeder Teilleiter die gleiche Lage in bezug auf die anderen Teilleiter und damit die gleiche Induktivität hat. Man erreicht dies durch Verdrillen oder Flechten der Teilleiter, wobei die Verd.-illungslänge oder beim Flechten ein vollständiges Vertauschungsprogramm der Teilleiter wesentlich kleiner sein muß, als die Einschaitwellenfront.

Bringt man die Teilleiter auf ein metallisches Trägerrohr auf, so besteht hier das Problem, daß die fortlaufende Einschaltwelle im Trägerrohr anders gedämpft wird, als in den Teilleitern. Auch hierdurch entstehen Spannungsunterschiede, die gegebenenfalls durch eine entsprechend starke elektrische Isolation aufgenommen werden müssen. Man kann hier auch durch eine Halbleiterschicht eder eine Schicht aus einer schlechtleitenden Metallegierung zwischen dem Trägerrohr und den Teilleitern das Entstehen eines zu großen Spannungsunterschiedes verhindern. Hierbei ist darauf zu achten, daß der Querwiderstand zwischen den Teilleitern nicht zu klein wird. Er muß so groß sein, daß der Querstrom zwischen den Teilleitern über eine halbe Verdrillungslänge, der durch im normalen Betriebsfall auftretende Stromschwankungen verursacht wird, klein gegenüber diesen Stromschwankungen bleibt. Es darf also im normalen Betriebsfall nur ein geringer Anteil der Ströme von einem Teilleiter zum anderen überwechseln.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand von acht Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. I ein supraleitendes Starkstromkabel, bei dem die Einzelleiter jeweils von einem Normalleiter »mhftllt und dieser von einer Halbleiterhölle umgehen ist,

F i g. 2 ein supraleitendes Starkstromkabel, bei dem auf Tragerrohre aus elektrisch gut leitendem Material je eine Halbleiterschicht und hierauf Teilleiter aufgebracht sind,

F i g. 3 ein supraleitendes Starkstromkabel mit zwei balbkreisringförmigen Trägerrohren und Teilleitern in Form von Röbelstäben,

F i g. 4 den Aufbau eines Röbelstabes,

F i g. 5 ein supraleitendes Starkstromkabel der gleichen Art wie bei F i g. 3, bei dem die Supraleiter vom Halbleitermaterial umhüllt sind,

F i g. 6 ein supraleitendes Starkstromkabel, bei dem die Teilleiter innerhalb eines wellrohrartigen Dichtungsrohres angebracht sind,

F i g. 7 ein supraleitendes Starkstromkabel der gleichen Art wie bei F i g. 3 mit gegenseitig völlig isolierten Teilleitern, und

F i g. 8 ein supraleitendes Starkstromkabel der gleichen Art wie bei Fig. 1, wobei jedoch hier die Teilleiter gegenseitig isoliert sind.

Das in F i g. 1 dargestellte Gleichstromkabel enthält zwei Trägerrohre 1 für Supraleiter aus Metall oder Kunststoff, in deren Hohlräumen 2 sich flüssiges Helium als Kühlmedium befindet. Auf den Trägerrohren sind die in Teilleiter 3 unterteilten Supraleiter angeordnet. Die Unterteilung ist hierbei so gewählt, daß bei Stromänderungen, wie sie im normalen Betrieb zu erwarten sind, keine Transition eintriu. Wie bereits erwähnt, verursacht jede Stromverdrängung Verluste, die durch das Kühlmittel abgeführt werden müssen. Je größer die Unterteilung ist, d. h. je kleiner der Querschnitt der Teilleiter ist, desto kleiner ist auch die Stromverdrängung. Die Teilleiter 3 sind wie F i g. 1 erkennen läßt, einlagig um das Trägerrohr 1 angeordnet. Sie verlaufen jedoch nicht axial zum Trägerrohr, sondern sind wendelförmig um dieses gewunden. Die Verdrillungslänge ist hierbei so gewählt, daß sie kleiner al* die Wellenfront der Einschaltwelle ist. Hierdurch wird erreicht, daß, auf diese Länge bezogen, die Induktivität jedes Teilleiters in bezug auf die anderen gleich groß ist. Dies ist deshalb nötig, weil sonst durch die Einschaltwelle auf Grund unterschiedlicher Induktivitäten der Teilleiter zu große Spannungsdifferenzen auftreten würden. Die Teilleiter sind bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 von Normalleitern 4 umhüllt. Hierdurch wird für die kurzzeitige Belastung durch die Einschaltwelle bzw. durch die Stoßwelle im Kurzschlußfall, wenn die kritische Stromdichte überschritten wird und der Supraleiter in den normalleitenden Zustand übergeführt wird, ein Parallelweg geschaffen, durch den die Verluste im normaileitenden Zustand gering gehalten werden können. Der normalleitende Parallelpfad ist so zu dimensionieren und zu kühlen, daß nach dem Abklingen der Stoßwelle trotz der ohmschen Verluste des Nennstromes im Parallelⁿfad der Supraleiter in kurzer Zeit unter die Sprungtemperatur abgekühlt wird. Auf die Hüllen aus normalleitendem Material 4, die jeden Teilleiler umgeben, ist noch jeweils ein Überzug 5 aus halbleitendem Material aufgebracht. Durch diesen werden die trotz Verdrillung noch auftretenden Restspannungen, die sich zwischen den Teilleitern bei der Einschaltwelle ausbilden — die Verdriliungslänge kann nicht beliebig klein gemacht werden — ausgeglichen. Die Teilleiter werden in ihrer Lage durch eine aufgepreßte Kunststoffhülle 6, z. B. aus Polyäthylen, die zugleich als elek-

trische Isolation dient, gehalten. Damit sich diese auf der Außenseite nicht elektrisch aufladen kann, ist hierauf eine leitende Schicht 7 aufgebracht, die mit der entsprechenden Schicht des rechten Isolierstoffüberzuges verbunden ist und geerdet werden kann. Zwei Gebilde der bisher beschriebenen Art sind als Hin- und Rückführung in einem rohrförmigen Kryostaten untergebracht, der aus drei konzentrisch angeordneten Metallrohran 8,9 und 10. sowie einem äußeren Schutzrohr 11 besteht. Der Innenraum 12 des Metallrohres 8 ist evakuiert und mit Superisolation ausgefüllt. Der hohlrohrförmige Zwischenraum 13 zwischen den Metallrohren 8 und 9 dient als Flüssigkeitskanal für ein Kühlmittel höheren Temperaturpotentials; vorzugsweise wird hier flüssiger Stickstoff verwendet. Der Zwischenraum 14 zwischen den Mctallrohren 9 und 10 ist evakuiert und wirkt als wärmeisolierender Mantel.

Das supraleitende Gleichstromkabel nach F i g. 2 besitzt im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das Kabel nach Fig. 1. Es sind für entsprechende Teile die ao gleichen Bezugszeichen verwendet. Als zu den Teillcitern 3 parallelliegender Normalleiler dient hier ausschließlich das Trägerrohr 1. Es besteht deshalb aus elektrisch gut leitendem Material. Damit durch das Trägerrohr kein Kurzschluß benachbarter Teilleiter be- »5 wirkt und damit der Effekt der Unterteilung des Supraleiters aufgehoben wird, sind die Teilleiter nicht unmittelbar auf das Trägerrohr gebracht, sondern unter Zwischenfügen einer halbleitenden Schicht 15.

Die halbleitende Schicht ist hierbei so bemessen, daß sie einerseits einen ausreichenden Stromübergang zum Trägerrohr im Falle der Transition zuläßt, andererseits jedoch verhindert, daß bei den unter normalen Betriebsverhältnissen zu erwartenden Belastungsänderungen ein Stromübergang zwischen den Teilleitern auftritt, der mehr als ein Zehntel des Nennstromes beträgt.

Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 im wesentlichen dadurch, daß Trägerrohre 16 mit halbkreisringförmigem Querschnitt vorgesehen sind und die Teilleiter 17 in Form von Röbelstäben, d. h. von Stäben, die durch wendeiförmiges Aufwickeln mehrerer parallel verlaufender bandförmiger Teilleiter auf ein Tragband 18 entstehen (vgl. F i g. 4), an den flachen Seiten der Trägerrohre angebracht sind. Auch hier dienen die Trägerrohre als Normalleiter und es sind halbleitende Schichten 19 zwischen den Teilleitern und den Trägerrohren vorgesehen.

Hei dem Ausfuhrungsbeispiel mich Fig.5 sind die halblcitenden Schichten in Form von Hüllen 20 um die Teilleitcr angebracht.

In F i g. 6 ist in zwei zueinander senkrechten Ansichten eine Hälfte eines supraleitenden Gleichstromkabels dargestellt, bei dem das Trägerrohr durch ein wendeiförmiges elastisches Band aus Isolationsmaterial gebildet ist und die Supraleiter von einem Wellenrohr umgeben sind. Ein solches Kabel zeichnet sich gegenüber einem Kabel mit starrem Trägerrohr durch seine Flexibilität aus. Auf einem elastischen Zylinder 21, der durch ein Wendel aus isoliertem Stahlband gebildet ist, befinden sich die Teilleiter 22, die hier als supraleitende Bänder ausgebildet sind. Mit diesen fest verbunden sind normalleitende Bänder 23 aus Aluminium. Die Zweischichtbändcr 22 und 23 sind von einer Halbleilerschicht 24 umgeben und so auf den inneren Zylinder 21 gewickelt, daß die Verdrillungslänge kleiner als die Einschaltwellenfront ist. Um das Zweischichtband 22 und 23 sind wendelförmig mehrere Distanzbänder 25 gewickelt, die einen elastischen Kontakt zwischen dem Zweischichtband und dem Wellrohr 26 verhindern. Das Wcllrohi 26 dient zur Abdichtung und ist von einem elektrischen Isolierrohr 6 umgeben.

Bei c"<;n bisherigen Ausführungsbeispielen bestand eine halbleitende Verbindung zwischen den Teilleitern. Diese war zum Teil dadurch bedingt, daß das Trägerrohr als Normalleiter verwende' wurde. Zum Teil diente sie auch dazu, um die trotz Verdrillung bei der Einschaltwelle auftretenden Spannungsunterschiede zwischen den Teilleitern und zwischen den Teilleitern und einem metallischen Trägerrohr zu begrenzen. Bei genügend kleiner Verdrillungslänge mag es möglich sein, diese Spannungsunterschiede durch eine elektrische Isolation aufzunehmen, die trotzdem noch einen ausreichenden Wärmeübergang sicherstellt. Dieser Fall ist bei den Ausführungsbeispielen nach F i g. 7 und 8 dargestellt. F i g. 7 entspricht konstruktiv der Ausführungsform nach F i g. 3 und läßt den vollständigen Einbau der Röbelstäbe in der elektrischen Isolation erkennen. Desgleichen befinden sich bei dem Beispiel nach F i g. 8 mit einem normalleitenden Überzug 4 veirsehene Teilleiter 3 völlig im Isoliermaterial 6 und sind bei einem Trägerrohr 1 aus elektrischem Isolationsmaterial auch durch dieses nicht galvanisch miteinander verbunden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Supraleitendes Kabel für große Stromstärken mit einem in mehrere verdrillte oder geflochtene δ Teilleiter unterteilten Supraleiter, zu dem wenigstens ein Stabilisierungsleiter aus normalleitendem Material parallel geführt ist, wobei der Gesamtquerschnitt der Stabilisierungsleiter ein Vielfaches des Gesamtquerschnittes des Supraleiters beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Querwiderstand zwischen den Teilleitern so groß ist, daß für eine halbe Verdrillungsiänge der Querstrom zwischen den Teilleitern, der durch im normalen Betriebsfall auftretende Stromschwankungen verursacht wird, klein gegenüber diesen Stromschwankungen ist.

2. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Tetlleiter ein Stabilisierungsleiter zugeordnet ist und die Leiterpaare ao von einer dünnen Isolationsschicht umgeben sind.

3. Supraleitcrles Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Teilleiter ein Stabilisierungsleiter zugeordnet ist und zwischen den Leiterpaaren Halbleiterschichten vorgesehen sind, as

4. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehreren Teilleitern ein Stabilisierungsleiter zugeordnet Ut, mit dem die Teilleiter durch Halbleiterschichten verbunden sind.

5. Supraleitendes Kabel nach einem der Ansprüehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrillungslange b?w. bei einem geflochtenen Supraleiter die Länge für ein völliges Vertauschungsprogramm kleiner als die Einsrhaltwr'lenfront ist.

6. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Träj.;errohr aus elektrisch gut leitendem Material besteht und auf dieses eine Halbleiterschicht (15) und hierauf distanziert voneinander die Teilleiter aufgebracht sind.

7. Supraleitendes Kabel, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilleiter auf einem durch ein wendeiförmiges, elastisches Band aus Isolationsmaterial gebildeten Trägerrohr angeordnet sind.

8. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerrohr aus einem wendeiförmigen, isolierten Stahlband (21) besteht und zusammen mit den Teilleitern (22) in einem Wellrohr (26) angeordnet ist.

9. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilleiter bandförmig ausgebildet sind und auf das supraleitende Band ein normalleitendes Band (23), vorzugsweise aus Aluminium, aufgebracht ist.

10. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei nebeneinanderliegenden Trägerrohren (16) mit halbkreisringförmigarn Querschnitt die Teilleiter in Form von Röbelstäben, d. h in Form von Stäben, die durch wendeiförmiges Aufwickeln mehrerer parallelverlaufender Teilleiter (17) auf ein Tragband (18) entstehen, an den flachen Seiten der Trägerrohre angebracht sind.

11. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Röbelstäbe durch eine Halbleiterschicht (19) mit dem jeweiligen Trägerrohr verbunden sind.

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Kabel für große Stromstärken mit einem in mehrere verdrillte oder geflochtene Teilleiter unterteilten Supraleiter, zu dem wenigstens ein Stabilisierungsleiter aus normalleitendem Material parallel geführt ist, wobei Her Gesamtquerschnitt der Stabilisierungsleiter ein Vielfaches des Gesamtquerschnittes des Supraleiters betragt.

Als Leiter für supraleitende Magnetspulen mit hohen Stromstärken sind bereits kabelförmige Leiter bekannt, deren Supraleiter in mehrere verdrillte bzw. geflochtene Teilleiter unterteilt sind. Die einzelnen Teilleiter sind dabei mit Kupferüberzügen versehen. Zusätzlich können die kabeiförmigen Leiter zur weiteren Stabilisierung auch noch Kupferdrähte enthalten, so daß der Gesamtquerschnitt des als Stabilisierungsmaterial dienenden Kupfers ein Vielfaches des Gesamtquerschnittes d»s Supraleiters betragen kann. Die einzelnen nebeneinanderliegenden Teilleiter sind bei diesen kabeiförmigen Leitern über ihre Kupferüberzüge gut elektrisch leitend miteinander verbunden. Zur Verbesserung des elektrischen Koniaktes zwischen den Teü'eüern kann auch noch eine Indiumimprägnierung vorgesehen sein (Rev. Sei. Instr. 36 (1965), S. 825 bis 830).

Während diese bekannten kabeiförmigen Leiter gut für Supraleitungsmagnetspulen geeignet sind, sind an ein supraleitendes Kabel, das Bestandteil eines Starkstromnetzes ist, eine Reihe von weitergehenden Anforderungen zu stellen, die in ihrer Gesamtheit nur schwer zu erfüllen sind. Bei Jen betriebsmäßigen Änderungen des Belastungsstromes soll das Kabel supraleitend blei ben. Beim Anschalten des Kabels an die Stromspeisestelle und im Falle eines vorübergehenden Kurzschlusses bildet sich dagegen eine über das Kabel hinweglaufende Stoßwelle aus, die das Kabel in den normalleitenden Zustand versetzen kann. Nach dem Abklingen einer solchen Stoßwelle soll das Kabel selbst bei Nennbelastung wieder in den supraleitenden Zustand übergeführt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei dem eingangs erwähnten supraleitenden Kabel für ;?^roße Stromstärken diese Forderungen zu erfüllen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Kabel erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß der Querwiderstand zwischen den Teilleitern so groß ist, daß für eine halbe Verdrillungsiänge der Querstrom zwischen den Teilleitern, der durch im normalen Betriebsfall auftretende Stromschwankungen verursacht wird, klein gegenüber diesen Stromschwankungen ist.

Die der Erfindung zugrunde liegenden allgemeinen Überlegungen sollen zunächst an Hand eines Gleichstromkabels erläutert werden, das Belastungsschwankungen ausgesetzt ist. Ähnliche Überlegungen gelten für ein Kabel, das einem pulsierenden Gleichstrom oder einem Wechselstrom ausgesetzt ist. In jedem Fall handelt es sich um die Überlagerung eines Gleich- und eines Wechselstromes. Im ersten Fall sind beide Anteile in ungleicher Größe vorhanden, im zweiten Fall sind beide Anteile gleich groß und im dritten Fall ist der Gleichstromanteil gleich Null.

Bei einem bereits vorgeschlagenen supraleitenden Gleichstromkabel sind für die Hin- und Rückführung auf Trägerrohren aufgebrachte Supraleiterschichten vorgesehen. Die Trägerrohre sind nebeneinander angeordnet. Bei Stromänderungen drängt sich der Strom an den Stellen kleinster Induktivität zusammen, so daß hier die kritische Stromdichte überschritten wird und Normalleitung eintritt. Es entstehen Verluste. Die Verluste können vermieden oder zumindest weitgehend re-