DE1763073C3 - Gleichstrom-Ubertragungseinrichtung mit supraleitendem Kabel - Google Patents

Description

35

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstrom-Übertragungseinrichtung mit einem zwei Stromrichter verbindenden supraleitenden Kabel.

Supraleitende Gleichstromkabel eigenen sich bekanntlich zur Übertragung sehr hoher elektrischer Leistungen (Zeitschrift »Elektrie« 1965, s. 261 bis 266, insbesondere S. 265, linke Spalte, vorletzter Absatz).Für die Höhe der Anschaffungs- und Betriebskosten eines supraleitenden Gleichstromkabels ist es von ausschlaggebender Bedeutung, daß die im Kabel entstehende Verlustwärme kleiner ist als die von außen in das Kabel eindringende Wärme. Die eindringende Wärme kann durch geeignete Wärmeisolalion auf einige Watt pro Kilometer herabgesetzt werden. Mit einem Kühlfaktor von 500 erhält man dann eine Rückkühlleistung von einigen kW/km. Dabei bedeutet »Kühlfaktor 500«, daß zum Wegkühlen der Verlustwärme vom Temperaturniveau von 4,2' K etwa die 500fache Kompressorleistung in der Rückkühlanlage erforderlich ist. Ist die im Kabel entstehende Verlusiwärme ebenso groß wie die eindringende Wärme, so verdoppeln sieh nicht nur die Leistung der Rückkühlanlagen und deren Kosten, sondern es muß auch der Abstand der Rückkühlcinrich-Hingen auf etwa die Hälfte herabgesetzt werden. Es ist daher anzustreben, die im Kübel auf niedriger Temperatur entstehenden Verluste soweit zu vermindern, daß sie gegenüber der Wärmeeinslrömung keine Rolle mehr spielen.

Während des Normalbetricbs entstehen im Gleichstromkabcl Oberwellenverluste, die sich aus Wechsel-Stromverlusten im Supraleiter, Wirbclstromverlustcn in normalleitenden Metallen des Kabels und den dielektrischen Verlusten in der elektrischen und der Wärmeisolaiion zusammensetzen. Bei üer Speisung der Kabel über Stromrichter sind Oberwellen nicht ganz vermeidbar. Bei der Übertragung hochgespannter Gleichströme über normalleitende Leitungen benutzt man deshalb den Gleichstrom-Übertragungs'.eitungen vorgeschalteten Glättungsdrosseln, die den Wechselstromanteil der Oberwellen herabsetzen. Auf die Herabsetzung der Oberwellenspannung an der Leitung unter den an den Stromrichtern auftretenden Wert kommt es bei normalleitenden Leitungen dagegen nicht in erster Linie an, da bei diesen Leitungen die dielektrischen Verluste keine wirtschaftliche Rolle spielen. Es ist allerdings auch bereits eine Einrichtung zur Begrenzung von Oberwellenströ< men in normalleitenden, über Stromrichter gespeisten Fernleitungen und Fernkabeln bekannt, bei der den Kabelenden aus induktiven Widerständen und Kondensatoren bestehende Spannungsteiler vorgeschaltet sind, deren am Stromrichter liegende Teile einen für Gleichstrom kleinen und deren an Erde liegende Teile einen für Gleichstrom großen Widerstand haben (deutsche Patentschrift 9 74 285). Mit einer solchen Einrichtung kann nicht nur eine Herabsetzung der Obprwellenströme, sondern auch eine Herabsetzung der Oberwellenspannungen am Kabel erreicht werden.

Ferner ist es bei normalleitenden Leitungen bekannt, zur Unterdrückung von durch Resonanz verstärkten Strom- oder Spannungsoberwellen an den erfahrungsgemäß durch solche Oberwellen am meisten gefährdeten Stellen des Leitungsnetzes einen oder mehrere energieverzehrende, aus Selbstinduktion, Kapazität und ohmschem Widerstand oder deren Äquivalenten bestehende Schutzschwingkreise anzuordnen, die auf die Frequenz der Oberwellenspannungen oder Oberwellenströme abgestimmt sind. Beispielsweise kann in der Mitte einer Einphasenleitung an der Stelle eines Resonanzspannungsbauches zwischen den beiden Leitungsadern ein aus einer Reihenschaltung von Selbstinduktion, Kapazität und ohmseb'-m Widerstand bestehender Schwingkreis eingeschaltet sein (deutsche Patentschrift 3 30 669).

Anders als bei normalleitenden Kabeln und Leitungen, bei welchen in erster Linie üie Herabsetzung der Oberwellenströme von Interesse ist, kommt es bei supraleitenden Kabeln entscheidend auf die Herabsetzung der Oberwellenspannungen an. Bei supraleitenden Kabeln ist eine Oberwellenspannung von wenigen Prozent der Gleichspannung schon sehr schädlich, weil die dadurch entstehenden dielektrischen Verluste und die Verluste durch den kapazitiven Wechselstrom im Kabel, multipliziert mit dem Kühlfaktor von 500. die Wirtschaftlichkeit erheblich verschlechtern.

Bei einer Übertragung hochgespannter Goeichströme über supraleitende Leitungen ist ferner damit zu rechnen, daß die vom Gleichrichter am Kabelanfang und die vom Wechselrichter am Kabelende erzeugten Oberwellen eine solche Phasenlage gegeneinander haben, daß das Kabel für die Oberwellen wie ein leerlaufendes Kabel halber Länge wirkt. Bei einem solchen leerlaufenden Kabel tritt aber, wenn der ohmsche Widerstand des Kabels hinreichend klein ist, am Kabelende ein unter der Bezeichnung »Ferranti-Effekt« bekannter Spannungsanstieg gegenüber dem Kabelanfang auf (vgl. »Hütte IV Α« (Elektrotechnik, Teil A), 28. Auflage, Berlin 1957, S. 51). Bei einem supraleitenden Gleichstromkabel, das bekanntlich kei-

nen ohmschen Widerstand besitzt, würde sich daher die Oberwellenspannung vom Kabelanfang und Kabelende gegen die Mitte zu erhöhen. Dies hätte wiederum zusätzliche dielektrische Verluste zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Gleichstrom-Übertragungseinrichtung mit einem zwei Stromrichter verbindenden supraleitenden Kabel zur Verringerung der dielektrischen Verluste die Größe der Spannungsoberwellen entlang des Kabels herabzusetzen und insbesondere einen übermäßigen Spannungsanstieg infolge des »Ferranti-Effektes« zur Kabelmitte hin zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Kabelanfang und dem Kabelende zur Herabsetzung der Oberwellenspannung am Kabel auf einen Bruchteil der Oberwellenspannung am Stromrichter aus induktiven Widerständen und kondensatoren bestehende Spannungsteiler vorgeschaltet sind und der am Stromrichter liegende Teil des Spannungsteilers einen für Gleichstrom kleinen und der an Erde liegende Teil des Spannungsteilers einen für Gleichstrom großen Widerstand hat, derart, daß die Gleichspannung am Kabel durch die Spannungsteiler praktisch unbeeinflußt ist, und daß zur Kompensation von Überspannungen infolge noch verbleibender Oberspannungsreste entlang des Kabels zwischen Kabelleiter und Erde Kompensationsdrosseln mit in Reihe geschalteten Kondensatoren vorgesehen sind, deren kapazitiver Widerstand iJr die in Frage kommenden Oberwellenfrequenzen kleiner als der induktive Widerstand der Kompensalionsdrosseln ist.

Für eine Gleichstrom-Übertragungseinrichtung mit einem zwei Stromrichter verbindenden supraleitenden Kabel, bei welcher lediglich dem Kabelanfang und dem Kabelende zur Herabsetzung der Oberwellenspannung am Kabel auf einen Bruchteil der Oberwellenspannung am Stromrichter aus induktiven Widerständen und Kondensatoren bestehende Spannungsteiler vorgeschaltet sind und der am Stromrichter liegende Teil des Spannungsteilers einen für Gleichstrom kleinen und der an Erde liegende Teil des Spannungsteiler; einen für Gleichstrom großen Widerstand hat, derart, daß die Gleichspannung am Kabel durch die Spannungsteiler praktisch unbeeinflußt ist, wird kein selbständiger Schutz beansprucht.

An Hand zweier Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erl'indungsgemäßen Gleichstrom-Übertragungseinrichtung,

F i g. 2 einen Querschnitt durch ein Supraleitangskabei bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Gleichstrom-Übertragungseinrichtung enthält zwei Supraleitungskabel 1 mit Stromrichtern 2 am Kabelanfang und am Kabelende. Am Anfang und am Ende der Übertragungseinrichtung sind ferner Schalter 3 und 4 und Übertrager 5 vorgesehen. Weiterhin sind dem Kabelanfang und dem Kabelende zur Herabsetzung der Oberwellenspannung am Kabel auf einen Bruchteil der Oberwellenspannung am Stromrichter Spannungsteiler vorgeschaltet, die aus induktiven Widerständen 6 und 8 und aus Kondensatoren 7 bestehen. Der am Stromrichter 2 liegende, aus einem induktiven Widerstand <i bestehende Teil jedes Spannungsteilers hat dabei einen für Gleichstrom kleinen, der an Erde liegende aus dem Kondensator 7 und dem induktiven Widerstand 8 bestehenden Teil jedes Spannungsteilers einen für Gleichstrom großen Widerstand, da der Kondensator 7 keinen Gleichstrom hindurchläßt. Die Gleichspannung am Kabel bleibt daher durch die Spannungsteiler praktisch unbeeinflußt

Als induktive Widerstände 6 und 8 eignen sich insbesondere Drosselspulen, deren induktiver Widerstand so bemessen ist, daß die Oberwellenspannungen am Kabel 1 genügend klein sind. Die Drosselspulen 6 bestehen zweckmäßigerweise vorwiegend aus Supraleitern. Die Kondensatoren 7 und die Drosselspulen 8 können auf der niedrigen Kabeltemperatur oder auf Raumtemperatur angeordnet sein.

Damit der- am Kabelanfang noch verbleibende Oberwellenspannungsrest bis zur Mitte des Kabels durch den bereits erwähnten »Ferranti-Effekt« nicht auf zu hohe Werte anwächst, sind entlang des Kabels zwischen den Kabelleitern und Erde ferner Kompensationsdrosseln 9 mit in Reihe geschalteten Kondensatoren 10 vorgesehen, deren kapazitiver Widerstand für die in Frage kommenden Oberwellenfrequenzen kleiner als der induktive Widerstand der Kompensationdrosseln ist. Das Kabel wird dadurch an den Kompensationsstellen induktiv belastet, wodurch für die in Frage kommenden, trotz der Spannungsteiler am Kabclanfang und am Kabelende noch vorhandenen Oberwellenspannungsreste die kapazitive Blindleistung des Kabels ganz oder zumindest teilweise kompensiert und der Oberwelienspannungsanstieg zur Kabelmitte hin begrenzt wird. Wäre der kapazitive Widerstand der Kondensatoren 10 gleich dem induktiven Widerstand der Kompensationsdrosseln 9 oder größer als dieser, so würden die reaktiven Widerstände von Kondensator und Kompensationsdrossel einander ausgleichen bzw. überwiegend der kapazitive Widerstand der Kondensatoren 10 in Erscheinung treten. Eine induktive Belastung des Kabels und damit eine Kompensation käme dann nicht zustande. Weglassen kann man die Kondensatoren 10 natürlich nicht, da sonst das Kabel über die Kompensationsdrosseln 9 gleichstrommäßig mit Erde kurzgeschlossen wäre. Entsprechend sollte auch der kapazitive Widerstand der Kondensatoren 7, die praktisch ebenfalls nur zur gleichstrommäßigen Trennung des Kabels von den Drosselspulen 8 d«fte.n, für die in Frage kommenden Oberwellenfrequenzen kleiner sein als der induktive Widerstand der Drosseln 8. Bei langen Kabeln ist es günstig, die Kompensationsdrosseln 9 und Kondensatoren 10 in Abständen von weniger als '/4 der Wellenlänge anzuschließen.

Die Kondensatoren 7 und 10 können im supraleitenden Kabel 1 selbst durch die Kabeiisolation und eine äußere leitende Belegung gebildet werden, die erst über die Drosseln 8 bzw. 9 mit Erde verbunden ist. Eine solche Ausführungsform des Kabels ist im Querschnitt in F i g. 2 dargestellt. Nach F i g. 2 ist eine Drosselspule 8 über eine Kapazität an das Kabel gelegt. Dieses besteht aus einem supraleitenden Bereich 11, dessen elektrischer Isolation 12, einer leitenden Belegung 13 sowie einer Wärmeisolation 14. Die Räume 15 und 16 sind zum Kühlen vorgesehen. Die erwähnte Kapazität (Kondensator 7 in Fig. 1) wird hierbei durch die gegen den supraleitenden Kern 11 isolierte leitende Belegung 13 gebildet. Dabei kann eine der gewünschten Kapazität entsprechende Länge der Belegung 13 von der übrigen, beispielsweise geerdeten Belegung elektrisch abgetrennt und über die Drosselspule 8 an Erde gelegt sein. Ebenso kann man weitere Teile der Belegung 13 elektrisch abtrennen und sie als Kondensatoren 10 über Drosselspulen 9 an Erde legen.

Hierzu l Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gleichstrom-Übertragungseinrichtung mit einem zwei Stromrichter verbindenden supraleiter den Kabel, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kabelanfang und dem Kabelende zur Herabsetzung der Oberwellenspannung am Kabel (1) auf einen Bruchteil der Oberwellenspannung am Stromrichter (2) aus induktiven Widerstanden (6, 8) und Kondensatoren (7) bestehende Spannungsteiler vorgeschaltet sind und der am Stromrichter (2) liegende Teil (6) des Spannungsteilers einen für Gleichstrom kleinen und der an Erde liegende Teil (7, 8) des Spannungsteilers einen für Gleichstrom großen Widerstand hat, derart, daß die Gleichspannung am Kabel durch die Spannungsteiler praktisch unbeeinflußt ist, und daß zur Kompensation von Überspannungen infolge noch verbleibender Oberwellenspannungsreste entlang des Kabels zwischen Kabelleiter (1) und Erde Kompensationsdrosseln (9) mit in Reihe geschalteten Kondensatoren (10) vorgesehen sind, deren kapazitiver Widerstand für die in Frage kommenden Oberwellenfrequenzen kleiner als der induktive Widerstand der Kompensationsdrosseln(9)ist.

2. Gleichstrom-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (7) der Spannungsteiler und/oder die Kondensatoren (10) der Kompensationsdrosseln (9) durch die elektrische Isolation (12) des Supraleiters (11) des Kabels und jeweils eine leitende Belegung (13) entsprechender Länge gebildet sind.