DE1665721C3 - Supraleitendes Starkstromkabel - Google Patents

Description

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du/iert werden, wenn cine Sironiverdrüngiing bei Stromanderungen verhinden wird. Dies kann durch eine Unterteilung der Supraleiter in Teilleiter geschehen. Bei starken Siromänderuiigen. /. B. beim Finschai-K-n oder im Kur/schlußfall des Kabels, läßt sich cmc Transisüon des Supraleiters mit wVtschufilicheni ΛιιΙ- *.md nicht verhindern. Damit die Erwärmung des Supraleiters in diesem Fall nicht /v. groß wird, muß ein vcrltistarmer Parailelweg für den Si mm vorgesehen »erden. Dies geschieht dadurch, daß zu den Teilleitern ein Stabilisierungsieiter aus nornulleitendeni Material paral¹ ■:' geführt wird. Wird fur mehrere IVilleiter ein gemeinsamer Stabilisierungsleiter vorgesehen — dies ist aus konstruktiven Gründen oft erwünscht — so muß dafür gesorgt werden, daß hierdurch die Teilleiter nicht iöllig kurzgeschlossen werden und damit der durch die Unterteilung des Supraleiters ersirebte Effekt wieder aufgehoben wird. Der Querschnitt und die Kühllläche des Siabiiisieriingsleiters sollen so groß sein, daß trot/ der Erwärmung auf Grund einer Kinschalisioilwelle. 2t .selbsl bei Nennlast, der supraleitende Zustand nach dem Abklingen der Stoßwelle wieder herbeigeführt v\ erden kann.

Wird ledern supraleitenden Teilleiter ein eigener Normalleiter zugeordnet. /.B. durch Umhüllung des as Supraleiters mittels normalleitenden Materials, dann kann man Quersiröme dadurch \erhmdern. daß man die l.eiterpaare (Supraleiter + Siabilisierungsleiter) gegeneinander isoliert. In diesem Fall tritt jedoch ein weiteres Problem auf. Auf Grund unterschiedlicher Iniliikliviiaten der Teilleiter können /wischen ihnen gro Mere Spannungsuntersehicde entstehen. Da die elektri sehe Isolation wegen der damit verbundenen /wanglauiigen Verschlechterung der thermischen l.eitlähigkeii /wischen dem Kühlmedium und den Supraleitern nicht unbegrcn/i verslärkt werden kann, muß man dafür sorgen, daß die Spannungsuntersehiede /wischen den I eilleitern klein bleiben. Dies ist möglieh, wenn auf einer Strecke, die wesentlich kurzer als die Wellen!rom der Fmschaltwelle ist. jeder Teilleiter die gleiche Lage in be/ug auf die anderen Teilleiter und damit the gleiche Induktivität hat. Man erreicht dies durch Verdrillen oiler Flechten der Teilleiter. wobei die Verdrillungslänge oiler beim Hechten ein vollständiges Veriauschungsprogramm der Teilleiier wesentlich kleiner sein muß. als die Einschaliwellenlron!.

Bringt man die Teilleiter auf ein metallisches I'ragerlohr auf. 'o besteht hier das Problem, daß die !ortlau fende l-linschiiltwelle im Trügerrohr anders gedampft wird, als in den Teilleitern. Auch hierdurch entstehen Spannungsuiilersehiede. die gegebenenlalls durch eine entsprechend starke elektrische Isolation aufgenommen werden müssen. Man kann hiev auch durch cmc llalbleiierschicht oiler eine Schicht aus einer schlechtleitenden Metallegierung /wischen dem Tragerrohr und ilen Teilleitern das Entstehen eines /u großen Spannungsunterschiedes verhindern. Hierbei ist daraul /u achten, daß der Querw iderstand /wischen den Teillcitern nicht /u klein wird. Fr muß so groß sein, daß der Qiierstrom /wischen den Teilleitern über eine halbe Verdrillungsliinge. der durch im normalen Betnebslal! auftretende Stromschwankungen verursacht wird, klein gegenüber diesen Stromschwankungen bleibt Fs dar! also im normalen Beiriebsl'all nur ein geringer Anteil der Strome um einem I eilleiter /um anderen überw echseln.

Die Frlinduii!. wird durch -Vustiihrimusheispiele an I land ve. κ hl 1 ig ure η na hei' eriauicrl. I ^v> zeigt

I 1 g. 1 ein supraleitendes Starkstromkabel, bei dem die Fin/e'iciier jeweils im: einem Normalleiter umhüll· und dieser von einer Halbleiierhülie umgeben ist.

I i g. 2 ein supraleitendes Starkstromkabel, bei dem aiii Triigerrohre aus elektrisch gut leitendem Material Γ-- eüi.· ilalhlciierschicht und hierauf Teilleiter aufgebrachi sind.

F ι g. i ein supraleitendes Starkstromkabel mit zwei ha!bkreisnnglörmigen Trägerrohren und Feilleitern in Form von Röhelstaben.

I 1 g. 4 den Aufbau eines Röbelstabes.

I 1 g. ) ein supraleitende^ Starkstromkabel der gleichen Art wie bei I- i g. 3. bei dem die Supraleiter vom Halbleitermaterial umhüllt sind.

F i g. η ein supraleitendes Starkstromkabel, bei dem die Teilleiter innerhalb eines wellrohi artigen Dichtungsrohres angebracht sind,

I 1 g. 7 ein supraleitende·. Starkstromkabel der gleichen An wie bei F i g. 3 mn gegenseitig völlig isolierten I eilleiiern. und

) i j:, x em supraleitendes Starkstromkabel der gleichen An w ic bei F i g. 1. wobei jedoch hier die Teilleiter gegenseitig isoliert sind.

Das in Fig. I durgestellte Gleiehsiromkabel enth.il· /wei Tragerrohre I 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 ungeordnet. Die Unterteilung ist hierbei so gewühlt, daß bei Stromünderungen. wie sie im normalen Betrieb /u erwarten sind, keine Transition eintritt. Wie bereits erwahnl. \ erursacht jede Stromv erdrängung Verluste, die durch das Kühlmitte! abgeführt werden müssen. |e großer die I Inierteilung ist. d. h. je kleiner der Querschnitt der Teilleiter ist. desto kleiner ist auch die Stionr.erdrangung. Die Teilleiter 3 sind wie ΙΊ g. I erkennen laßt, einlagig um das Trägerrohr 1 angeordnet. Sie verlaufen jedoch nicht axial /um Trägerrohr, sondern sind vsendeiförmig um dieses gewunden. Die Verdrillungslänge isi hierbei so gewählt, dull sie kleiner als die WeI-lenlVont l'.cv Finschaltwelle ist. Hierdurch wird erreicht, daß. auf diese Fänge bezogen, die Induktivität jedes Feilleiters in bezug auf die anderen gleich groß ist. Dies ist ileshalb nötig, weil sonst durch die F.inschaltwelle auf Grund unterschiedlicher Induktivitäten der Teilleiter /u große Spannungsdifferen/en aultreten würden. Die Teilleiter sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 von Normalleitern 4 umhüllt. Hierdurch wird für die kurzzeitige Belastung durch die Einschaliwellc bzw. durch die Stoßwelle im Kur/schlußlall, wenn die kritische Stromdichte überschritten wird und der Supraleiter in den normalleitenden Zustand übergeführt wird, ein l'arallelvveg geschaffen, durch den die Verluste im nornialleitenden Zustand gering gehallen werden können. Der normalleitende Parallelpfad ist so zu dimensionieren und /u kühlen, daß nach dem Abklingen der Stoßwelle trol/ der ohmschen Verluste des Nennstromes im Parallelpfad der Supraleiter in kurzer Zeil unter die Sprungieniperuiur abgekühlt wird. Auf die Hüllen aus normalleitendem Material 4. die jeden Teilleiter unigeben, ist noch jeweils ein Überzug 5 aus haibleiteiidein Material aulgebrachl. Durch diesen werden die trot/ Verdrillung noch auftretenden Kestspanniingen, die sich /wischen den Teilleiiern bei der Finschullwelle ausbilden - die Verdnllungslänge kann nicht beliebig klein gemacht werden — ausgeglichen. Die Teilleiter werden in ihrer I ..ige durch eine aufgepreßte Ktinst-Moflhuüc h. /. H ,ms l\>!\ aihv len, die zugleich als clek-

irische Isokition dient, gehalten. Damit sich diese auf der Außenseite nicht elektrisch aufladen kann, isi hier auf eine leitende Schicht 7 aufgebracht, die mit der entsprechenden Schicht des rechten Isolierstol'füberzuges verbunden ist und geerdet werden kann. Zwei Gebilde der bisher beschriebenen Art sind als Hin- und Rückführung in einem rohrförmigen Kryoslaten untergc bracht, der aus drei konzentrisch ungeordneten Metallrohren 8, 9 und 10, sowie einem äußeren Schutzrohr 11 besteht. Der Innenraiim 12 des Metallrohres K ist evaknien und mit Superisolalion 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 Melallrohren 9 und 10 ist evakuiert und wirkt als wärmeisolieremler Mantel.

Das supraleitende Gleielisiromkabel nach I- i g. 2 besitzt im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das Kabel nach Fig. 1. Hs sind für entsprechende Teile die ao gleichen Bezugs/eichen verwendet. Als zu den Teilleitern 3 parallelliegcnder Normalleiter dient hier ausschließlich das Trägerrohr 1. Fs besteht deshalb aus elektrisch gut leitendem Material. Damit durch das Tragerrohr kein Kurzschluß benachbarter Teilleiter bewirkt und damit der Effekt der Unterteilung des Supraleiters aufgehoben wird, sind die Teilleiter nicht unmittelbar auf das Trägerrohr gebracht, sondern unter Zw ischenfügen einer halblcitendcn Schicht 15.

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

Das Ausführungsbeispiel nach F i g. i unterscheidet sich von dem Auslührungsbeispiel nach F i g. 2 im wesentlichen dadurch, daß Trägerrohre 16 nut halbkreisnngförmigem Querschnitt vorgesehen sind und die Teilieiter 17 in Form von Röbelstäbcn. d. h. von Stäben, die durch wendelförniiges Aufwickeln mehrerer parallel verlaufender bandförmiger Teillei'icr aul ein Tragband 18 entstehen (vgl. F ig. 4), an den flachen Seiten tier Trägorrohre angebracht sind. Auch hier dienen die frägerrohrc als Normalleiter und es sind halbleitende Schichten 19 zwischen den Tcilleiiern und den Trägerrohren vorgesehen.

Bei dem Auslührungsbeispiel nach I 1 g. 5 sind die halbleiienden Schichten in Form von Hüllen 20 um du Teillciter angebracht.

In I i g. b ist in zwei zueinander senkrechten Ansicht ten eine Hälfte eines supraleitenden (ileichslromkabel· dargestellt, bei dem das Trägerrohr durch ein wendel lorniiges elastisches Band aus Isolationsnialerial gebil dct ist und die Supraleiter von einem Wellcnrohr um geben sind. Fin solches Kabel zeichnet sich gegenübei einem Kabel mil starrem Trägermhr durch seine I1c\i bilität aus. Aul einem elastischen Zylinder 21, der durch ein Wendel aus isoliertem Stahlband gebildet ist. belin ilen sich die Teilleiter 22. die hier als supraleitende Bän tier ausgebildet sind. Mit diesen fest verbunden sine iiormalleiteiule Bänder 23 aus Aluminium. Die Zwei schichtbänder 22 und 23 sind von einer llalbleitet schicht 24 umgeben und so auf den inneren Zylinder 21 ge\\ ickelt, daß die Verdrillungslänge kleiner als die Fin schalt wellenfront ist. Um das Zweisehichiband 22 um 2S sind wendelförmig mehrere Dislanzbänder 25 ge wickelt, die einen elastischen Kontakt zwischen ilen Zueischichtband und dem Wellrohr 26 verhindern. Da¹ Wellrohr 26 dient zur Abdichtung und ist von einen elektrischen Isolierrohr 6 umgeben.

Bei den bisherigen Allsführungsbeispielen bestani eine halbleitende Verbindung zwischen den Teilleitern Diese war zum Teil dadurch bedingt, daß das Träger rohr als Normalleiter verwendet wurde. Zum Teil tuen te sie auch dazu, um die trotz Verdrillung bei der Fin schaltwelle auftretenden Spannungsunierschiede zwi sehen den Teilleitern und zwischen den Teilleiiern um einem metallischen Trägerrohr zu begrenzen. Bei genii gcnd kleiner Verdrillungslänge mag es möglich scm diese Spannungsunierschiede durch eine elektrische Isolation aulzunehmen, die trotzdem noch einen ausrei chcnden Wärmeübergang sicherstellt. Dieser I all is bei den Ausführungsbeispielen nach I i g. 7 und S dargestellt. F i g. 7 entspricht konstruktiv der Ausführungs iiiini nach I 1 g. J und läl.il den vollständigen Finbai der Rubelstäbe "l der elektrischen Isolation erkennen Desgleichen befinden sich bei dem Beispiel nach I i g. > mit einem norm„'leitenden Überzug 4 versehene Teil leiter i völlig im Isoliermaterial 6 und sind bei einen Trägerrohr 1 aus elektrischem Isolalionsmalerial aucl durch dieses nicht galvanisch miteinander verbunden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnuncen

Claims (10)

Patemansprüche:

1. Supraleitendes Kane! I'm iiroße Stroinsiärken

* mit einem in mehrere verdrillte oder geflochtene > TeiileiliM" un'crteihen Supraleiter, zu dem wenigstens ei·· Si.'hiiisierungsleiter aus normalieitendem M.iie!:.ii parallel geführt ist. wobei der (Gesamt querschnitt der Siabilisierungsleiier ein Vielfaches des Gesamtquerschniites des Supraleiters betrügt. d a d ι: r c h g e k e η η / e i c h net. daß der Querw !tiersiand zwischen den Teilleitern so groß ist. daß für eine halbe Verdrillungslänge dt..·" Quersirom /wischen den Teilleitern. der durch im normalen Betriebsfall auftretende Stromschwankungen verursacht wird, klein gegenüber diesen Stromschwankungen ist.

2. Supraleitendes Kabel räch Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Teilleiter ein Stabiüsienmgsleiter zugeordnet ist und die Leiterpaare von einer dünnen ki>J;)tiomsi/hichi umgehen sind.

3. Supraleitendes Kabel nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß ledeni Teilleiter ein Stabilisierungsleiter zugeordnet ist und /wischen den Leiterpaaren I lalbleiterschichien vorgesehen sind. »5

4. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß mehreren feilleiiern ein Stabilisierungsleiier zugeordnet ist. mit dem die Teilleiter durch Halbleiiersehiehien verbunden sind.

>. Supraleitendes Kabel nach einem tier Anspriiehe I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrillungslänge bzw. bei einem geflochtenen Supraleiter die Lange fur ein völliges Veriauschungsprogramm kleiner als tue liinschaltwellenfront ist.

b. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Trügerrohr aus elektrisch gut leitendem Material besieht und auf dieses emc (lalbleitersehichi (15) und hierauf distanziert voneinander die Teilleiier aulgebracht sind.

7. Supraleitendes Kabel, insbesondere nach einem tier Ansprüche I bis >. dadurch gekennzeichnet, daß die Teilleiier auf einem durch ein wendellörmiges. elastisches Hand aus Isolationsmaterial gebildeten Trägerrohr angeordnet smd.

8. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß das Trügerrohr aus einem wendellörmigcn. isolierten Stahlband (21) besteht und zusammen mit den Teilleitern (22) in einem Wellrohr (2h) angeordnet ist.

^c). Supraleitendes Kabel nach Anspruch 7 oder 8. dadurch gekennzeichnet, daß die 1 eilleit.-r bandförmig ausgebildet sind und aiii tlas supraleitende Band fin normalleitendes Band (23). vorzugsweise aus Aluminium, aufgebracht ist.

10. Supraleitendes Kabel nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß bei nebeneinanderliepeiulen Trägerrohren (16) mit lialbkreisringl'örmi-Ifem Querschnitt die Teilleiier in l'orm von Robel-Maben. ti. h. in l'orm von Stäben, die durch wendelformiges Aulwickeln mehrerer parallcKcrlaulcndcr Teilleiter (17) auf cm Tragband (18) einstehen, an ilen Machen Seiten der 1 ragerrohre angebracht sind.

Il Si,pi ,!leitendes Kabel nach Anspruch 10. _t|,i ,!tilt, ii L-CKcnM/ckhiH ι. dal! die Kobel'.l.ib·..· tliiu Ii CHU I !albleilei'schii in (H) um dein iewii!i;:eh I r.i.^reι ι < ihr ν ei hi 1 iidei■ w· k I.

Die Erfindung betiiflt ein supraleitendes Kabel Ft] t;;-;)ße Stromstärken mit einem in mehrere verdrillt oder treflochicne Teilleiter unterteilten Supraleiter, ζ dem wenigstens ein Siabilisierungsleiier aus normallci ieiulem Material parallel geführt ist. wobei der Ge samiquerschniii tier Suibilisierungsleiter ein Vielfache des Gesamiquerschniites des Supraleiters beträgt.

Als Leiter fur supraleitende Magnetspulen mit hohei Stromstärken sind bereits kabeiförmige Leiter bekann deren Supraleiter in mehrere verdrillte bzw. gellochte nc Teilieiter unterteilt sind. Die einzelnen Teilleiier sini tlabei mit Kupferiiberzügen versehen, zusätzlich kön nen die kabeiförmigen Leiter zur weiteren Stabilisie rung auch noch Kupferdrähte enthalten, so daß der Gc saniiquerschniii des als Siabiüsierungsmaierial dienen den Kupfers ein Vielfaches des Gesamtquerschnitte¹ des Supraleiters benagen kann. Die einzelnen neben einanderliegentlen Teilleiier sind bei diesen kabeliormi gen Leitern über ihre Kupierüberzüge gut elektrisch leitend miteinander verbunden. Zur Verbesserung deelektrischen Kontakte /u K₁ (ten den Teilletiem kam: auch noch eine Indiumimpragnierung vorgesehen scm (Rev. Scr Instr. .36 (Hb')), S. 82) bis 8 30).

Während diese bekannten kabeiförmigen Leiter gut tür Supr.ileitungsmagnetspulen geeignet sind, sind an ein supraleitendes Kabel, das Bestand'eil eines Starkstromneiz.es ist. eine Reihe von weitergehenden Anforderungi-n /u stellen, die in ihrer (jesamllieil nur .schwer zn erfüllen sind. Bei den betriebsmäßigen Änderungen des Belastungsstromes soll das Kabel supraleitend bleiben. Beim Anschalten des Kabels .in die Stronispeisesteile und im I alle eines vorübergehenden Kurzschlusses bildet sich dagegen eine über das Kabel hinweglatifende Stoßwelle aus. die das Kabel in den normalieitendcn Zustand versetzen kann. Nach dem Abklingen einer solchen Stoßwelle soll das Kabel selbst bei Nennbelasiung wieder in den supraleitenden Zustand übergeführt werden können.

Aufuabe der Hrfindiing ist es. bei dem eingangs erwähnten supraleitenden Kabel für große Siromsarken diese lorderungen /u erfüllen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Kabel erl'indungsgemäß derart ausgebildet, daß der Querwidersiand zwischen den Teilleiiern so groß ist, daß für eine halbe Verdrillungsliingc tier (Quersirom zwischen den Teilleiiern. der durch im normalen Belriebslall auftretende Stromschwankungen verursacht wird, klein gegenüber diesen Stromschwankungen ist.

Die tier Lrfindiiiig zugrunde liegenden allgemeinen Überlegungen sollen zunächst an Hand eines Gleichst mmkabels erläutert werden, tlas Belastungsschw ;mkungen ausgesetzt ist. Ahnliche Überlegungen gelten für ein Kabel, this einem pulsierenden Gleichstrom oder einem Wechselstrom ausgesetzt ist. In jedem lall handelt es sich um die überlagerung eines Gleich- und eines Wechselstromes. Im ersten Lall sind beide Anteile in ungleicher Größe vorhanden, im zweiten I all sind beule Anteile gleich groß und im dritten Lall ist der Gleichstromanteil gleich Null.

Bei einem bereits vorgeschlagenen supraleitenden Gleichstromkabel sind für die Hin- und Rückführung ,111! !'rägerrohren angebrachte Supraleiterschiehten vorgesehen. Die I rägerrohre sind nebeneinander an-.!jeordnei. Bei Siromaniieruiurcn dr.mgi sich der Strom an den Stellen klein si er Induktiv mm zusammen, so dal! hier tl'e kri'iv c StnunJu hl 1.· iiberschriüen wird iiiul SoI¹IIi.illeitnng cimimii I s enf-ieheu Verluste. Die Ver- ^::.sk koiiiu'ii \i-rm:i-dcn odei /1:11111 tlcsi weitgehend ic-