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Sup-raleiter für zeitlich veränderlichen Strom Die Erfindung betrifft
einen Supraleiter für zeitlich veränderlichen 'jtrom, der wenigstens zwei Paare
konzentrischer Schichten aus '#ut"r-..leiterm-zteri;,1, enthält, die durch konzentrische
behichten aus getrennt sind.
| .#ut,;r-.J.eiter dieser Art haben verhältnismäßig hohe Weckiseletromver- |
| luate, die wie Untersuchungen ergeben haben, fast ausachiieilich |
in dem Teil des Supraleiters entstehen, der für den--Stromtransport
gar nicht gebraucht wird.
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Ziel dieser Erfindung ist es, diese Verluste-zu verringern. Die Erfindung
ist durch die Kombination der folgenden Merkmale gekennzeichnet: a) die Schichtdicke
des Supraieitermaterials liegt in der Größenordnung der Eindringtiefe des Str omes
bei der betreffenden Temperatur, b) die Schichtdicke des Isoliermaterials
ist um wenigstens eine Größenordnung größer als die Schichtdicke des Supraleitermaterials,
c) die Supraleiterschichten sind so an die Stromquelle geschaltet, daß
je zwei in radialer Richtung aufeinanderfolgende Supraleiterschichten von
entgegengesetzt gerichteten Strömen durchflossen werden, d)die Zahl der Supraleiterschichten
ist so.begrenzt, daß sich die innerste und die äußerste Schicht im Durchmesser um
höchstens 20% unterscheiden.
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Die Erfindung wird duixch zwei Ausführungsbeispiele anhand dreier,
Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den Querschnitt eines erfindungegemäßen
Supraleiterkabels mit vier konzentrischen Supraleiterschichten, Fig. 2 einen Längsschnitt
aus einem supraleitenden Kabel, bei dem abweichend von der Erfindung die Supraleiterschichten-
stärker als die Eindringtiefe sind und
Fig. 3 ein supraleitendes
Drehstromkabel mit 18 Teilkabeln der in Fig. 1 dargestellten-Art.
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Der in Fig. 1 dargestellte Supraleiter für veränderlichen Strom
enthält-zwei Paare konzentrischer Schichten 100 aus Su#raleitermaterial.
die durch konzentrische Schichten 101 aus Isoliermaterial getrennt sind.
Die Schichtdicke d des Supraleitermaterials liegt in der Größenordnung der
Eindringtiefe'des-Stromes bei der betreffenden Temperatur. Die Schichtdicke a des
Isoliermaterials-ist um wenigstens eine Größenordnung größer als die Schichtdicke
d des Supraleitermaterials. Di-e Supraleiterschichten sind so an die Stromquelle
angeschaltet, daß je zwei in radialer Richtung aufeinanderfolgende Supraleiterschichten
von entgegengesetzt gerichteten Strömen durchflossen werden. F!ießt also bei der
innersten Supraleiterschicht der Strom von der Papierebene aus betrachtet nach hint.en,
so fließt in der darauffolgenden Schicht der Strom bezüglich der Papierebene n;acn
vorne. Bei der nächsten Schicht fließt der Strom wieder nach ninten. D-ie Zahl der
Supi#aleitersenichten ist so begrenzt, daß sich die innerste und die äuizerste Schicht
im Burchmess-er um höchstens '#O-' unterscheiden.
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#_nhand 'der Fig. 2 wird deutlich, weshalb die Supraleiterschichten
nicht stärker als die Eindringtiefe des Stromes gemacht werden sollen. bie Figur
zeigt in stark vergrößertem Maß-stab den interessierenden Teil eines Längsschnittes
aus einem Kabel entsprechend dem Aufbau nach Fig. 1, wobei aber die Supraleiterschichten
stärker als --iie Eindringtiefe des Stromes sind. Unterhalb des Querschnittes sind
die Stromdichte j, der Spannungsabgall,6 U und die Magnetflußdichte
B aufgetragen. Die Fig. läßt erkennen, daß der Strom im wesentlichen in den Randbereichen
der Supraleiterschichten fließt. Die inneren
Bereiche tragen zum
Stromtransport praktisch nic hts bei-* In ihnen werden aber bei Wechselstrom ohmsche
Verlu-ste erzeugt. Durch das Teilmerkmal der Erfindung, daß die Schichtdicke des
Supraleiterma-' terials in der Größenordnung der Eindringtiefe des Stromes liegen
soll, werden diese Verluste vermieden-. Die Eindringtiefe des Stromes-ist z.B. bei
Blei als Supraleitermaterial 0,1 gm.
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Die Wechselstromverluste einer konzentrischenWechselstromleitung sind
von einer Potenz des Verhältnisses Dicke der supraleitenden Schicht zu der-Dicke
der Isolierschicht abhängig. Um diese Verluste klein zu halten, soll die Schichtdicke
des Supraleiters wenigstens um eine Größenordnung kleiner als 'die der benachbarten
Isolierschicht sein, die das magnetische Streufeld führt.-Bei einer Vie
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zahl von SuDraleiterschichten ist der Durchmesser der inneren Schich ten
nennenswert kleiner als der der äußeren. Die inneren Schichten haben dann eine größere
Leitungsinduktivität als die äußeren.Dies führt zu einer unterschiedlichen Belastung
der verschiedenen Schichten. Eine gute Ausnutzung ist gewährleistet, wenn der Supraleiter
für-einen Stromtransport in zwei verschiedenen Richtungen benutzt wird und die Supraleiierschicliten
so an die Stromquelle geschaltet we.-den, daii je zwei in radialer Richtung
aufeinanderfolgende Supraleiterschicnten von entgegengesetzt gerichteten Strömen
durchflossen werden. Außerdem soll die Zahl der Supraleitersenichten so begrenzt
werden, daii sich die innerste und die äußerste Schicht im Durchmesser um höchstens
20% unterscheiden.
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In Fig. 3 ist ein Drehstromkabel mit 18 konzentrischen
Teilkabeln r -
1 bis ld dargestellt. Das Drehstromkabel ist für-eine
Ubertragung
von 2000 MW bei 20 kV mit 3 58 000
A geeignet. Jedes Teilkabel besitzt 10 konzentrische Doppelschichten
aus Blei -von 1 g Stärke, die, in de:i7 Lage sind, 9,7 kA zu führen.
Die Dicke der Isolations-#schich.ten beträgt 100 g. Der Innendurchmesser
jedes Teilkabels ist 4 cm, der Außendurchmesser 4"5em. Der Innendurchmesser der
die Teilkabel umscriließenden Wärmeisolation 19 beträgt etwa 23 cm.#Das
Kabel ist so entworfen, daß es etwa den dreifachen Kurzschlußstrom aushalten kann,
ohne in Transition zu gehen. Durch die Verwendung von 18 Teilkabeln verhältnismäßig
geringen Durchmessers ist bei entsprechender Ausbildung der Wärmeisolation die Biegsamkeit
ausreichend. Sämtliche 18 Teilkabel führen innen flüssiges-Helium i in der einen
Richtung, während Zwickel flüssiges und gasförmiges Helium zum Verflüssiger zutückleiten.
Der Heliumstrom muß so groß sein, daß die beim Betrieb entstehenden ohmschen und
dielektrischen Verluste sowie die von außen einströme-nde Wärme bei etwa 4,20 Kelvin
abgeführt werden können. Die Heliumströmung wird beim Betrieb des Kabels zweckmäßig
der Verlustleistung angepaßt, die durch Zu- und Abschalten von Teilkabeln bei Änderung
der Übertragungsleistung veränderbar ist. Das-Zu- oder Abschalten von Teilkabeln
empfiehlt sich deshalb, weil die Kabel, selbst wenn sie keinen Nutzstrom leiten,
dielektrische Verluste 4rursachen.
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Statt eines Supraleiters erster Art wie Bl ei, können auch Supraleiter
zweiter Art wie Niob oder dritter Art wie Nb 3 Sng in äußerst dünnen Schichten
angewendet werden. Das Aufbringen der dünnen Schieb. ten aus Supraleitermaterial
kann durch chemische Verfahren wie Galvanisieren, Abscheiden aus der Dampfphase,.
Aufdampfen" Kathodenzerstäubung oder Aufspritzen geschehen. Das Aufbringen der Isolation
erfolgt
durch Aufwickeln, Aufpresseng Aufschmelzen oder auf chemischem Wege. Das Herstellungsverfahren
kann kontinuierlich ausgebildet werden, indem beispielsweise bei 10 Doppelschichten
20 Stellen (Kammern) zum Aufdampfen und Isolieren hintereinander liegen.
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Im Hinblick auf geringe Verluste soll der Durchmesser der Teilkabel
möglichst klein und der Krümmungsradius möglichst groß sein. Bei einer Verdrillung
der Teilkabel soll das Verhältnis Steighöhe zu Teilkabeldurchmesser größer als
50 sein.