DE1790245C3 - Supraleitendes Wechselstromkabel - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Wechselstromkabel, welches in einer gemeinsamen Wärmeisolation mehrere Teilkabel in Form von Leiterpaaren oder Drehstromsystemen enthält, deren an einem Kabelende liegende Enden mit einem Kraftwerk und deren andere Enden mit Verbraucherstellen verbunden sind.

Supraleitende Wechselstromkabel, von denen bereits verschiedene Ausführungsformen bekannt sind, eignen sich insbesondere zur Übertragung großer elektrischer Leistungen, da die Supraleiter im supraleiter)-den Zustand keinen ohmschen Widerstand aufweisen. Die Supraleiter eines solchen Kabels werden beim Betrieb des Kabels durch ein Kahlmittel, beispielsweise flüssiges Helium, gekühlt und sind von einer Wärmeisolation umgeben.

Aus der Zeitschrift »E & M« 82 (1965), S. 279 und 280, ist ein supraleitendes Wechselstromkabel bekannt das in einer gemeinsamen Wärmeisolation mehrere als Drehstromsysteme ausgebildete Teilkabel enthält, deren am einen Kabelende liegende Enden mit den Stromerzeugern eines Kraftwerkes und deren am anderen Kabelende liegende Enden direkt oder in Gruppen über entsprechende Schaltorgane mit einzelnen Verbrauchern verbunden sind. In diesem Zusammenhang ist ferner angegeben, daß sich auch die auftretenden Schaltungsprobleme dank der Aufteilung auf viele jeweils nur einen Teil des Kabelstromes führende Leitungsstränge beherrschen lassen.

Ferner ist es bekannt d<»ß die Kurzschlußleistung eines Netzes durch Aufteilung des Netzes in getrennt gespeiste, voneinander getrennte Teilnetze geringerer Leistung begrenzt werden kann (G. F u η k, »Der Kurzschluß im Drehstromnetz«, München, 1962, S. 367; »AEG-Hilfsbuch für elektrische Licht- und Kraftanlagen«, 7. Auflage, 1956. S. 206).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein supraleitendes Wechselstromkabel der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß es ein elektrisches Verteilungsnetz speisen und gleichzeitig zur Begrenzung der Kürzschlußleistung des Netzes ausgenutzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Teilkabel an verschiedenen Stellen der Kabelstrecke aus der gemeinsamen Wärmeisolation herausgeführt und verbraucherseitig mit jeweils räumlich voneinander entfernten Speisepunkten eines aus dem ⁶S Kraftwerk zu speisenden elektrischen Verteilungsnetzes verbunden sind.

Eine solche Versorgung eines Netzes durch ein in

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60 mehrere Teflkabel unterteiltes supraleitendes Kabel hat den besowJaw-ViSrteiL daß die Induktivitäten 4et Ib <fe Ttunicb v$&ßm Speisepunkte des Netzes angesditossenen TÖ-Spieine ** Begrenzung der Kur. scMußleistung in dem Netz ausgenutzt werden können.

Für jeden Speisepunkt erhält man nämlich praktisch nur die KurzscMde-Leistuog. die sich aus der Induktivität jedes Teil-Systems ergibt Da die supraleitenden Kabel keinen ohmschen Leiäingsveriust haben, kann man den Nennstrom so weit über den natürlichen Strom erhöhen, als der induktive Spannungsabfall dies zuläßt Duja^.Kompensation des Netzes auf cos φ=1 ©der vofeBenäe Werte des cos φ und entsprechende Bemessung der Teil-Systeme kann der Kurzschlußstrom beispielsweise auf den 3- bis 5fachen Wert des Nennstromes jedes Teil-Systems herabgesetzt werden. Wird das Netz beispielsweise aus einem Kraftwerk von 1000 MW gespeist, so wäre bei zentraler Einspeisung Ober konventionelle Kabel die Kurzschlußleistung in der Größenordnung von 10 000 MVA. Durch Unterteilung des supraleitenden Kabels in 10 Teilleiter-Systeme gelingt es, die Kurzschlußleistung an jedem Speisepunkt auf 400 MVA herabzusetzen. Die niedrigen Übertragungsspannungen des supraleitenden Kabels gestatten, ohne Transformation vom Generator des Kraftwerks bis zum gespeisten Netz, z. B. mit 20 bis 30 KV, auszukommen. Die Leistungskonstanten solcher Kabel gleichen mehr denen einer Vielfach-Freileitung, a» denen der konventionellen KabeL Der Leitungswiderstand ist jedoch 0 und die Ableitung gering. Die supraleitenden Kabel sind deshalb auch für große Übertragungs-Entfernungen geeignet

Durch Verwendung eines in mehrere Teilkabel unterteilten supraleitenden Kabels wird somit die üblicherweise schwer zu lösende Aufgabe, die Kurzschlußleistung an den einzelnen Speisepunkten eines Netzes zu begren- n, in einfacher Weise gelöst Zu einer jolchen Begrenzung der Kurzschlußleistung eignen sich nicht nur supraleitende Kabel mit Heliumisolation, wie sie in Patent 1 640 750 vorgeschlagen sind, sondern auch in anderer Weise, beispielsweise mit festen Isolierstoffen, isolierte supraleitende Kabel, die aus mehrerenTeilkabeln bestehen, die mit einem Ende jeweils mit einem Speisepunkt des zu versorgenden Netzes und mit dem anderen Ende mit dem Kraftwerk verbunden sind.

Es ist nicht notwendig, die Supraleiter so auszulegen, daß sie den vollen Kurzschlußstrom noch im supraleitenden Zustand aushalten. Man kann sich damit begnügen, daß die Supraleiter nur bei so großen Strömen noch nicht vom supraleitenden in den elektrisch normalleitenden Zustand übergehen, wie man dem Kabel ohne Abschaltung zumuten will, also etwa bei Strömen, die den Nennstrom um etwa 50% übersteigen. Noch größere Ströme wird man auch mit Rücksicht auf die anderen Teile des Netzes schnellstens abschalten. Das Kabel läßt sich ohne besonderse Vergrößerung so bauen, daß der Kurzschlußstrom für die Zeit bis zum Abschalten von normalleitenden Trägern der supraleitenden Schichten aufgenommen werden kann. Es ist günstig, diese Träger aus relativ reinem Metall, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, herzustellen, weil dann der spezifische Widerstand bei der niedrigen Temperatur besonders klein ist und der Kurzschlußstrom weniger Verluste erzeugt Als Supraleitermaterial kann vorteilhaft Niob verwendet werden. Bei häufigen Kurzschlüssen mit schneller Wiedereinschaltung ist eventuell eine Vergrößerung der Rückkühlanlage für

das Helhim erforderlich.

Die Erfindung wird an Hand einer Figur noch näher erläutert

Die Figur zeigt schematisch eine Anordnung, bei der ein supraleitendes Wechselstromkabel mit einer Mehrzahl von Drehstromsystemen zur Kurzschlußbegrenzung in einem räumlich ausgedehnten Verteilungsnetz dient Das Verteilungsnetz 61 wird aus einem entfernten Kraftwfik €2 gespeist Jeder Speisepunkt 63 des Netzes 61 ist fiber Schalter 64 an je ein Teilsystem 65 des Kabels 66 angeschlossen. Die Wärmeisolation 68 ist gestrichelt dargestellt. Bei Kurzschlüssen in der Nähe des Speisepunktes fließt über das zugehörige Teilsystem die durch die Induktivität dieses Systems begrenzte Kurzschlußleistung zu. Wird dieser Kurzschluß durch einen Schalter 64 und gleichzeitig den korrespondierenden Schalter 67 am Kraftwerk-Ende des Teilsystems abgetrennt und im Verteilungsnetz auch durch Maschennetz-Schalter abgeschaltet so kann das übrige Ne*z in Betrieb bleiben. Sinkt die Belastung des Netzes unter die natürliche Leistung des Kabels 66, so können Teilsysteme 65 durch die am Anfang und Ende des Kabels angeordneten Schalter 64 und 67 abgeschaltet werden. Es tritt dann keine kapazitive Belastung und keine Spannungserhöhung auf. Bei reinem Leerlauf des Netzes kann an das zuletzt in Betrieb bleibende Teilsystem eine Kompensationsdrossel zugeschaltet werdea Es ist auch möglich, dieses letzte Teilsvstem mit Hilfe von zwei Transformatoren am Anfang und Ende des Kabels auf eine so niedrige Leiterspannung umzuschalten, daß bereits die Leerlaufleistung des Transformators am Ende des Kabels zur Kompensation ausreicht Wird das Netz dann wieder belastet so werden zunächst die übrigen Teilsysteme nacheinander mit voller Spannung eingeschaltet und bei Vollast schließlich das srste Teilsystem ebenfalls auf die volle Spannung umgeschaltet In der Figur ist wegen der besseren Übersichtlichkeit eine sogenannte einpolige Darstellung verwendet d. h. von den drei Leitern des Drehstromnetzes 61 und der Teilkabel 65 ist jeweils nur ein Leiter gezeichnet Die einzelnen Teilkabel können beispielsweise jeweils aus drei parallelen, nicht koaxialen, gegeneinander isolierten, rohrförmigen Supraleitern oder aus je drei koaxialen rohrförmigen Supraleiterpaaren bestehen, wie sie beispielsweise im Patent 1 640 750 vorgeschlagen sind.

Der Aufwand für Supraleiter, Trägermetall. Helium

und Wärmeisolation ist bei einem supraleitenden Wechselstrom- oder Drehstromkabel mit Heliumisolation etwa derselbe, gleichgültig, ob man die geforderte Leistung mit einem einzigen Leiterpaar oder einer Vielzahl von Leitern überträgt, sofern man alle Leiter in einer einzigen Wärmeisolation einschließt Dabei wächst der Aufwand für die Wärmeisolation etwa mit der Quadratwurzel aus der übertragenen Leistung. Die Herstellungsschwierigkeiten sind kleiner, wenn man Rohre geringen Durchmessers als Träger der Supraleiter verwendet Es ist deshalb auch aus diesem Grunde vorteilhaft für große Leistungen eine Mehrzahl von Teilkabeln in Form von Leiterpaaren oder Drehstrom-Systemen zu benutzen.

Diese werden vorteilhaft von einem Rohr eingeschlossen, das das Kühlhelium enthält Außerhalb dieses Rohres befindet sich eine Wärmeisolation, die aus einem evakuierten Raum besteht der zur Verminderung der Wärmeeinstrahlung mit einer Vielzahl von Kunststoffolien mit reflektierenden Metallschichten (der bekannten Superisolation) ausgefüllt sein kann. Um die Wärmeeinströmung zum Kühlhelium weiter zu verkleinern, ist es zweckmäßig, innerhalb der Wärmeisolation einen Zwischenschild aus Metall vorzusehen, der durch flüssigen Stickstoff auf einer Temperatur von etwa 77°K gehalten wird. Der evakuierte Raum ist von einem vakuumdichten Rohr umgeben, das dem äußeren Luftdruck standhalten muß. Da die Wärmeisolation nicht zusammengedrückt werden darf, ist es für die Verlegung des Kabels zweckmäßig, das äußere vakuumdichte Druckrohr der Länge nach zu teilen, das Rohr für das Kühlhelium samt Wärmeisolation und Zwischenschild von oben in das Unterteil des Druckrohres einzulegen und gegen das Druckrohr mit schlecht wärmeleitenden Fäden zu verspannen. Dann wird das Oberteil des Druckrohres aufgelegt und die Vakuumdichtheit beispielsweise durch Verschweißen oder Verlöten einer besonderen um das Druckrohr herumgelegten Außenhaut beispielsweise aus Stahl, sichergestellt In das Rohr für das Kühlhelium können die Leiterpaare oder Drehstromsysteme an Ort und Stelle eingezogen werden. Die Erfindung ist z. B. dann von Vorteil, wenn von einem entfernten Kraftwerk elektrische Energie in eine große Stadt eingespeist wird. Das Kabel wird dann in so viel Teil-Drehstrom-Systeme unterteilt als man im Netz verteilte Speisepunkte vorsehen will.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Hf

   I 790

   Patentanspruch;

   Supraleitendes WeehselstromkabeL welches in in Warasejsalation mehrere TeB-

   systemen enthält, deren an einem Kabetende Uegende Enden mit einem Kraftwerk und deren andere Baden mt VerbraueaersteDen verbunden and, dadurch gekeanzeiefanet, daß die Teflkabel (65) an «rschiedeneftlftellai der Kabel- jo strecke ans der gemeinsamen Wärmeisolation (68) herausgeiBhil and verbraucbjärseitig.rflit jeweils räumlich-^nemander enffeaiten Speisepunkten (63) eines aus dem Kraftwerk (62) zu speisenden elektrischen Verteilungsnetzes (61) verbunden sind t₅