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Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Muffe zur Verbindung von supraleitfähigen Kabelabschnitten und ein supraleitfähiges Kabel mit einer solchen Muffe. Die Muffe ist insbesondere dafür eingerichtet, um den Anschluss einer Zwischenkühlstation an das supraleitfähige Kabel zu ermöglichen. Das supraleitfähige Kabel ist insbesondere ein Koaxialkabel.
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Hintergrund
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In Ballungsräumen müssen große Strommengen auf engem Raum transportiert werden. In diesen Anwendungsfällen ist es bereits heute wirtschaftlich vorteilhaft, herkömmliche Hochspannungssysteme mit einer Betriebsspannung von zum Beispiel 110 kV durch supraleitfähige Mittelspannungslösungen zu ersetzen.
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Supraleitfähiges Material hat unter anderem die Eigenschaft, dass sein elektrischer Widerstand auf Null sinkt, wenn es auf Temperaturen unterhalb der sogenannten Sprungtemperatur abgekühlt wird. Bei der Sprungtemperatur geht es in den sogenannten supraleitfähigen Zustand über. Der supraleitfähige Zustand existiert so lange wie die Temperatur T, die Stromstärke I und das magnetische Feld B unter entsprechenden kritischen Werten bleiben, die individuell von dem jeweiligen supraleitfähigen Material abhängen. Bevor im April 1986 Supraleitung in keramischen Materialien entdeckt wurde, war Supraleitung nur bei einigen Metallen bekannt. Unter den keramischen Supraleitern sind vor allem diejenigen Verbindungen von praktischer Bedeutung, deren Sprungtemperatur oberhalb der Temperatur von flüssigem Stickstoff (LN2) liegt, die 77 K (-196 °C) beträgt. Dieser Wert ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil flüssiger Stickstoff ein vergleichsweise kostengünstiges Kühlmittel darstellt. Geeignete keramische Materialien sind beispielsweise mit seltenen Erden dotierte Materialien, die unter der Bezeichnung ReBCO (Rare-Earth-Barium-Kupfer-Oxid) bekannt geworden sind. Zu den keramischen Materialien, welche die genannten Eigenschaften erfüllen, gehört insbesondere YBCO (Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid) mit einer Sprungtemperatur von 92 K. Ein anderes dieser supraleitfähigen Materialien ist beispielsweise BSCCO (Wismut-Strontium-Kalzium-Kupfer-Oxid) mit einer Sprungtemperatur von 110 K. Für die genannten supraleitfähigen Materialien geeignete Kühlmittel sind beispielsweise Stickstoff, Helium, Neon und Wasserstoff, jeweils in flüssigem Zustand.
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Ein supraleitfähiges Kabel hat in heutiger Technik elektrische Leiter aus einem Verbundwerkstoff, welcher keramisches Material enthält, das bei ausreichend tiefen Temperaturen in den supraleitfähigen Zustand übergeht. Der elektrische Gleichstromwiderstand eines entsprechend aufgebauten Leiters ist bei ausreichender Kühlung Null, solange eine bestimmte Stromstärke und eine bestimmte Magnetfeldstärke nicht überschritten werden. Um die erforderlichen niedrigeren Temperaturen zu erreichen, ist der supraleitfähige Leiter von einem Kabelkryostaten umgeben, der das Kühlmittel, insbesondere flüssigen Stickstoff, enthält und die Einstrahlung von Umgebungswärme auf das Kühlmittel und das supraleitfähige Kabel weitgehend unterbindet.
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Das supraleitfähige Kabel besteht aus einem druckfesten metallischen Innenbehälter oder Innenrohr, in dem das flüssige Kühlmittel vorhanden ist und in den das Kabel hineinragt und aus einem metallischen Außenbehälter oder Außenrohr, der vom Innenbehälter durch einen Zwischenraum getrennt ist, in dem eine Vakuumisolierung vorhanden ist.
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Das Kühlmittel umspült und kühlt das Kabel. Das Kühlmittel dringt während der Inbetriebnahme des Systems nach und nach durch den Schirm des Kabels in dessen Dielektrikum ein. Im Betrieb des supraleitfähigen Kabels steht das Kältemittel unter einem bestimmten Betriebsdruck, um die dielektrische Festigkeit der Hochspannungsisolierung zu gewährleisten. Das Kühlmittel wirkt dabei auch als Imprägniermittel für das Dielektrikum.
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Größere Kabellängen werden realisiert, indem mehrere supraleitfähige Kabel mit Muffen zusammengefügt werden, wie sie beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung
EP 2 105 994 A1 bekannt sind. Das Kabel ist in einem solchen Fall also aus mehreren Abschnitten oder Sektionen aufgebaut.
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Um supraleitfähige Kabelsysteme im Bereich ihrer notwendigen Betriebstemperatur zu kühlen, werden sie typischerweise von flüssigem Stickstoff in einem Kreislaufsystem durchflossen. Flüssiger Stickstoff wird häufig als kostengünstiges Kühlmittel eingesetzt. Im Betrieb des supraleitenden Kabels wird der Stickstoff mittels einer Kühlanlage durch das supraleitende Kabelsystem gepumpt und nimmt dabei Wärme auf, die von außen in das supraleitende Kabelsystem eindringt, was zu einer geringen Erwärmung des Stickstoffs führt. Um das supraleitende Kabelsystem auf oder unter einer vorbestimmten Betriebstemperatur zu halten, muss der flüssige Stickstoff in einem vorbestimmten Temperatur- und Druckbereich bleiben. Der von dem Wärmeeintrag verursachte Temperaturanstieg des flüssigen Stickstoffs wird im Kreislaufsystem in der Kühlanlage wieder zurückgekühlt. Der Massenstrom des Stickstoffs verursacht dabei einen Druckverlust, der, wie auch die Temperaturerhöhung, von der Länge des Kabelsystems abhängt.
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Bei längeren Kabelsystemen kann es daher notwendig werden, eine Zwischenkühlung vorzusehen. Die Zwischenkühlstation kühlt den flüssigen Stickstoff herunter und bewirkt erforderlichenfalls zusätzlich eine Druckerhöhung mittels Pumpen bevor der flüssige Stickstoff zu der Kühlanlage zurückkehrt. Abhängig von den konkreten Betriebsbedingungen des supraleitenden Kabelsystems genügt unter Umständen auch nur eine Druckerhöhung oder nur eine Rückkühlung des flüssigen Stickstoffs. In jedem Fall muss die Zwischenkühlstation hierzu mit elektrischer Energie versorgt werden.
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Bislang wird zur Energieversorgung der Zwischenkühlstation eine elektrische Energieinfrastruktur am Ort der Zwischenkühlung eingerichtet. Wenn es an einer solchen Energieinfrastruktur fehlt, muss diese zunächst errichtet werden, was zusätzliche Tiefbauarbeiten notwendig macht, welche die Kosten und den Zeitaufwand für die Herstellung einer supraleitenden Kabelverbindung erhöhen. Die elektrischen Energieinfrastruktur für die Zwischenkühlstation muss darüber hinaus auch besonders zuverlässig ausgelegt sein, weil die die Sicherheit der Energieversorgung der Zwischenkühlung direkt die Ausfallsicherheit des Supraleiterkabelsystems beeinflusst.
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Hiervon ausgehend hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Muffe zur Verbindung von supraleitfähigen Kabelabschnitten zu schaffen, um eines oder mehrere der eingangs genannten Probleme zu überwinden oder zumindest zu verbessern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung nach einem ersten Aspekt eine Muffe zur Verbindung der Enden von zwei supraleitfähigen Kabelabschnitten vor. Die Muffe umfasst einen Muffenkryostaten, der die Enden der supraleitfähigen Kabelabschnitte aufnimmt, einen Zulauf für Kühlmittel, der das Kühlmittel einer Zwischenkühlstation zuführt, einem Rücklauf für das Kühlmittel, das von der Zwischenkühlstation zurückkommt und eine elektrische Verbindung an einen Leiter von einem der supraleitfähigen Kabelabschnitte.
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Die erfindungsgemäße Muffe ermöglicht es, eine Zwischenkühlstation für ein supraleitendes Kabelsystem direkt mit aus dem supraleitenden Kabel entnommenen elektrische Energie zu versorgen. Auf diese Weise wird eine zusätzliche Energieinfrastruktur für die Zwischenkühlstation entbehrlich, was Bauraum und Kosten spart und gleichzeitig die Betriebssicherheit des supraleitenden Kabelsystems erhöht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist in einer Wand des Muffenkryostaten eine thermisch isolierte Durchführung für die elektrische Verbindung angeordnet ist. Die thermische isolierte Durchführung überbrückt die Temperaturdifferenz zwischen dem gekühlten Supraleiter, aus dem die elektrische Energie entnommen wird und der Umgebungstemperatur.
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Zweckmäßigerweise umfasst die Muffe eine Dichtung, die bei einem der supraleitfähigen Kabelabschnitte eine supraleitfähige Kabelader gegenüber einem Kabelkryostaten abdichtet. Die Dichtung sorgt dafür, dass das Kühlmittel nicht aus dem ersten Kabelabschnitt direkt in den zweiten Kabelabschnitt unter Umgehung der Zwischenkühlstation fließt. Ohne die Dichtung wäre die Zwischenkühlstation ganz oder teilweise wirkungslos.
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Mit Vorteil leitet ein elektrisch isolierender Schlauch das von der Zwischenkühlstation kommende Kühlmittel in einen hohlen Formkörper der supraleitfähigen Kabelader. Auf diese Weise wird die Kabelader besonders wirksam gekühlt.
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Zweckmäßigerweise verbindet ein elektrisches Verbindungselement eine supraleitfähige Schicht des einen supraleitfähigen Kabelabschnitts mit einer supraleitfähigen Schicht des anderen supraleitfähigen Kabelabschnitts.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Muffe mehrere Verbindungselemente, die einander entsprechende supraleitfähige Schichten der supraleitfähigen Kabelabschnitte verbinden, wobei die Kabelabschnitte als Koaxialkabel ausgebildet sind.
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Das oder die elektrische(n) Verbindungselement(e) werden immer dann gebraucht, wenn ein so langes supraleitendes Kabel benötigt wird, das nicht mehr einteilig hergestellt werden kann, sondern aus mehreren Kabelabschnitten zusammengefügt ist. Dabei müssen die supraleitfähigen Schichten der einzelnen Kabelabschnitte miteinander verbunden werden, was mittels der elektrischen Verbindungselemente realisiert wird.
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Nach einen zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein supraleitfähiges Koaxialkabel vorgeschlagen, das zwei supraleitfähige Kabelabschnitte aufweist, die mit einer Muffe nach dem ersten Aspekt der Erfindung miteinander verbunden sind. Mit supraleitfähigen Koaxialkabeln ist es in besonders raumsparender Weise möglich, Dreiphasenwechselstrom in einem elektrischen Versorgungsnetz zu übertragen. Auch unter dem Gesichtspunkt der Kühlleistung, die für den Betrieb einer supraleitenden Verbindung erforderlich ist, ist das Koaxialkabel vorteilhaft.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist einer der Kabelabschnitte des Koaxialkabels in seinem Kabelkryostaten einen Rücklauf für von der Zwischenkühlstation kommendes Kühlmittel auf. Diese Anordnung ist vorteilhaft, um die Kabelader des Koaxialkabels von außen zu kühlen. In diesem Fall ist es sinnvoll, dass der Rücklauf auf der von der Muffe abliegenden Seite einer Dichtung angeordnet ist, die den Kabelkryostaten von dem Muffenkryostaten trennt.
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Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kabelsystem mit mehreren supraleitfähigen Kabeln vorgeschlagen, die mindestens zwei mit Muffen miteinander verbundene Kabelabschnitte aufweisen. Wenigstens eines der supraleitfähigen Kabel weist eine Muffe nach dem ersten Aspekt der Erfindung auf, um elektrische Energie von dem wenigstens einen supraleitfähigen Kabel abzugreifen. Die abgegriffene elektrische Energie kann mit Vorteil dafür eingesetzt werden, um eine Zwischenkühlstation mit elektrischer Energie zu versorgen, wobei in der Zwischenkühlstation das Kühlmittel aller supraleitfähigen Kabel gekühlt und/oder dessen Druck erhöht wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Kabelsystems weist die Zwischenkühlstation einen Wärmetauscher auf, der als offenes Kühlsystem funktioniert und im Betrieb Kühlmittel verdampft, das mittels einer Fluidleitung aus einem der supraleitfähigen Kabel nachgespeist wird. Die Versorgung des Wärmetauschers mit Kühlmittel aus dem Kabelsystem hat den Vorteil, dass am Ort der Zwischenkühlstation kein Vorratstank für Kühlmittel erforderlich ist.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren exemplarisch näher erläutert. Alle Figuren sind rein schematisch und nicht maßstäblich. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines supraleitfähigen Kabels;
- 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus des supraleitfähigen Kabels aus 1;
- 3 eine schematische Darstellung eines supraleitfähigen Koaxialkabels;
- 4A ein supraleitfähiges Kabelsystem mit einer Zwischenkühlung und einer separaten Energieinfrastruktur;
- 4B ein erstes erfindungsgemäßes supraleitfähiges Kabelsystem mit einer Zwischenkühlung;
- 5 eine Muffe zur Verbindung von supraleitfähigen Kabeln mit einem elektrischen Anschluss;
- 6 ein zweites erfindungsgemäßes supraleitfähiges Kabelsystem mit einer Zwischenkühlung; und
- 7 ein drittes erfindungsgemäßes supraleitfähiges Kabelsystem mit einer Zwischenkühlung.
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Gleiche oder ähnliche Elemente sind in den Figuren mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsbeispiel
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In 1 ist rein schematisch ein supraleitfähiges Kabel 100 dargestellt, das an seinen Enden jeweils einen Endverschluss 101,102 aufweist. In einem Ausführungsbeispiel weist das supraleitfähige Kabel 100 einen einzigen supraleitfähigen Leiter auf. In anderen Ausführungsbeispielen ist das supraleitfähige Kabel 100 als Koaxialkabel ausgebildet, das mehrere, insbesondere drei koaxial zueinander angeordnete Supraleiterschichten aufweist.
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Zwischen den Endverschlüssen 101, 102 erstreckt sich ein Kabelkryostat 103, der auch kurz als Kryostat bezeichnet wird. Der Kryostat 103 umschließt mindestens eine supraleitfähige Kabelader. Das supraleitfähige Kabel 100 bestehend aus Kryostat und Kabelader ist in 2 in größerer Einzelheit dargestellt. Die Endverschlüsse 101, 102 ermöglichen den Anschluss des supraleitfähigen Kabels an konventionelle Mittelspannungs- oder Hochspannungstechnik und dienen außerdem dazu, den Temperatursprung zwischen dem stickstoffgekühlten supraleitfähigen Kabel und damit in Berührung stehender Komponenten und der Umgebung zu bewältigen.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel ist anstelle des Endverschlusses 101 und oder des Endverschlusses 102 eine Muffe vorgesehen, die eine Verbindungsstelle zu einem weiteren supraleitfähigen Kabel 100 bildet. Auf diese Weise ist es möglich, das supraleitfähige Kabel 100 zu verlängern. Bei supraleiterfähigen Kabeln ab einer bestimmten Länge ist es erforderlich, eine Zwischenkühlung für den Stickstoff vorzusehen, weil entlang des Kabels der Druck des flüssigen Stickstoffes langsam abnimmt und/oder seine Temperatur allmählich ansteigt, sodass die Betriebsbedingungen für das supraleitfähige Kabel nicht mehr eingehalten werden können.
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Zunächst soll aber der Aufbau eines supraleitfähigen Kabels 100 mit einer einzigen supraleitfähigen Schicht anhand von 2 beschrieben werden. Auf einem hohlen Formkörper 200, der einen Hohlraum 201 umschließt, sind supraleitfähige Bänder angeordnet, die eine supraleitfähige Schicht 202 bilden. Die supraleitfähige Schicht 202 ist von einer bandförmigen halbleitenden Leiterglättung 203 umgeben. Auf der Leiterglättung 203 ist ein Dielektrikum 204 angeordnet, dass von einem elektrisch leitenden Schirm 206 umgeben ist, der zum Beispiel aus Kupferdrähten oder Kupferbändern oder ebenfalls aus supraleitfähigen Bändern gebildet ist. Zwischen Dielektrikum 204 und Schirm 206 ist eine weitere halbleitende Schicht (nicht dargestellt) angeordnet. Die halbleitenden Schichten dienen der Glättung des elektrischen Felds im Kabel, indem sie runde Oberflächen schaffen und Kanten eliminieren.
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Die genannten Komponenten sind in einem Hohlraum 207 angeordnet, der von einem inneren Kryostatrohr 208 umschlossen ist. Im Betrieb des supraleitfähigen Kabels 100 fließt das zur Kühlung eingesetzte Kühlmittel in dem Hohlraum 207 und/oder in dem Hohlraum 201. Die Außenseite des inneren Kryostatrohres 208 ist von einer Superisolation 209 umgeben, die ihrerseits von einem äußeren Kryostatrohr 211 eingeschlossen ist. Der Zwischenraum zwischen dem inneren Kryostatrohr 208 und dem äußeren Kryostatrohr 211 ist evakuiert und bildet eine Vakuumisolation zwischen dem inneren Kryostatrohr 208 und dem äußeren Kryostatrohr 211. Bei manchen Ausführungsbeispielen sind zusätzlich zu der Superisolation 209 Abstandshalter (nicht gezeigt) vorgesehen, die verhindern, dass sich die Kryostatrohre 208, 211 berühren. Die Kryostatrohre 208, 211 sind vorzugsweise aus Edelstahl hergestellt. Mit Vorteil sind die Kryostatrohre 208, quer zu ihrer Längsrichtung oder schraubenlinienförmig gewellt. Zum Schutz vor Beschädigungen und vor anderen Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit oder aggressiven Substanzen ist das äußere Kryostatrohr 211 von einem Mantel umgeben, der beispielsweise aus Polyethylen (PE) oder (PVC) hergestellt ist.
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Für die Übertragung der drei Stromphasen in einem Energieübertragungsnetzwerk werden auch supraleiterfähige Kabel eingesetzt, bei denen drei supraleiterfähige Schichten koaxial zueinander in einem Kryostaten angeordnet sind.
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3 zeigt schematisch und im Querschnitt den Aufbau einer supraleitfähigen Kabelader 300, in welcher drei supraleitfähige Schichten 301-303 koaxial zueinander angeordnet sind, die jeweils durch ein Dielektrikum 306-308 voneinander getrennt sind. Die innerste supraleitfähige Schicht 301 liegt auf dem Formkörper 201 auf. Zur besseren Veranschaulichung ist in 3 der Abstand zwischen dem Formkörper und der supraleitfähigen Schicht 301 übertrieben dargestellt. Die auf den supraleitfähigen Schichten angeordnete Leiterglättung ist der übersichtlichkeitshalber in 3 weggelassen. Das äußere Dielektrikum um 308 ist wiederum von dem Schirm 206 umgeben Die supraleitfähige Kabelader 300 ist in der praktischen Anwendung in einem Kryostaten angeordnet, der im Zusammenhang mit 2 beschrieben wurde, aber der in 3 ebenfalls der Übersichtlichkeit halber weggelassen ist.
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4A zeigt ein supraleitfähiges Kabelsystem 400a mit einem supraleitfähigen Kabel 401. Das supraleitfähige Kabel 401 ist beispielsweise ein Koaxialkabel mit drei Supraleitern, wie es mit Bezug zu 3 beschrieben wurde. Das supraleitfähige Kabel 401 ist an seinem ersten Ende mit einem Endverschluss 402 versehen und an seinem zweiten Ende mit einem Endverschluss 403. Eine Kühlanlage 404 ist über eine Zufuhrleitung 406 für Kühlmittel mit dem Endverschluss 402 verbunden. Der Endverschluss 403 ist über eine Rückleitung 407 für Kühlmittel an die Kühlanlage 404 angeschlossen. Ein Kühlmittelvorratstank 408, der mit Vorteil als Kryotank ausgebildet ist, ist über eine Speiseleitung 409 mit der Kühlanlage 404 verbunden. Die Zufuhrleitung 406, die Rückleitung 407 sowie die Speiseleitung 409 sind vorzugsweise als Kryoleitungen ausgebildet, d.h. als doppelwandige vakuumisolierte Leitungen.
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Das supraleitfähige Kabel 401 ist zweiteilig aus einem ersten supraleitfähigen Kabel 411 und einem zweiten supraleitfähigen Kabel 412 aufgebaut, die mit einer Muffe 413 miteinander verbunden sind. Die Muffe stellt eine supraleitfähige Verbindung zwischen den einzelnen Supraleitern in den Kabeln 411 und 412 her. Das supraleitfähige Kabel 401 hat eine Länge, die eine Zwischenkühlung des flüssigen Stickstoffes, der zur Kühlung der Supraleiter eingesetzt ist, erforderlich macht, um die Betriebsparameter für das Kabel 401 einzuhalten.
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Zu diesem Zweck ist eine Zwischenkühlstation 414 vorgesehen, die flüssigen Stickstoff aus dem ersten supraleitfähigen Kabelabschnitt 411 an der Muffe 413 oder im Bereich der Muffe 413 durch einen Zulauf 416 entnimmt. Eine Pumpe 417 in der Zwischenkühlstation 414 erhöht den Druck des flüssigen Stickstoffes und eine Kältemaschine 418 kühlt ihn auf eine niedrigere Temperatur ab. Durch eine Rücklaufleitung 419 wird der abgekühlte flüssige Stickstoff dem zweiten supraleitfähigen Kabel 412 wieder zugeführt. Die Pumpe 417 und die Kältemaschine 418 der Zwischenkühlstation 414 benötigen zum Betrieb Energie, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mittels eines Anschlusses an ein elektrisches Versorgungsnetz zugeführt wird. Der Anschluss an das elektrische Versorgungsnetz ist durch einen Leitungsmast 421 und elektrische Leitungen 422 dargestellt. In anderen Ausführungsbeispielen sind die elektrischen Leitungen 422 in der Erde verlegt. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung erfordert die Zwischenkühlstation 414 für ihren Betrieb grundsätzlich die Bereitstellung einer Energieinfrastruktur, was zusätzlichen Aufwand verursacht und eine mögliche Fehlerquelle darstellt, die zu einem Ausfall des supraleitfähigen Kabels 401 führen kann. Beispielsweise könnte ein örtlicher Stromausfall dazu führen, dass die Zwischenkühlstation 414 nicht mehr arbeitet und sich deshalb die Betriebstemperatur des supraleitfähigen Kabels 401 in unzulässiger Weise erhöht, wodurch eine Notabschaltung ausgelöst würde.
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Die Erfindung schlägt deshalb vor, die für den Betrieb der Zwischenkühlstation 414 notwendige Energie direkt aus dem von der Zwischenkühlstation 414 zu kühlenden supraleitfähigen Kabel 401 zu entnehmen. Das hat zum einen den Vorteil, dass keine Energieinfrastruktur für die Zwischenkühlstation 414 errichtet werden muss. Außerdem sind Störungen im Betrieb des supraleitfähigen Kabels 401 durch lokale Stromausfälle ausgeschlossen, was die Betriebssicherheit erhöht. Wie es in 4B dargestellt ist, erfolgt bei dem supraleitfähige Kabelsystem 400b die Entnahme der elektrischen Energie für die Zwischenkühlstation 414 zweckmäßigerweise an einer Muffe 500 mittels einer elektrischen Verbindung 424, welche die zwei supraleitfähigen Kabelabschnitte 411, 412 miteinander verbindet. Durch diese Änderung benötigt die Zwischenkühlstation 414 keine separate Energieinfrastruktur mehr, die in 4A durch die Leitungen 422 und den Leitungsmast 421 symbolisiert wurde.
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In 5 ist schematisch die den supraleitfähigen Kabelabschnitt 411 mit dem supraleitfähigen Kabelabschnitt 412 verbindende Muffe 500 in größerer Einzelheit dargestellt. Das supraleitfähigen Kabel 411, 412 weisen jeweils eine supraleitfähige Kabelader 300 auf, die in einem doppelwandigen Kryostaten 502 angeordnet ist. Die Muffe 500 umfasst einen Muffenkryostat 503, der die Kryostaten 502 der beiden Kabelabschnitte 411 bzw. 412 miteinander verbindet. Die Enden der supraleitfähigen Kabeladern 300 der Kabelabschnitte 411 bzw. 412 ragen in den Innenraum des Muffenkryostat 503. Im Innenraum des Muffenkryostaten 503 werden die supraleitfähigen Schichten 301-303 der beiden Kabeladern 300 der Kabelabschnitte 411 bzw. 412 elektrisch miteinander verbunden. Zu diesem Zweck werden die supraleitfähigen Schichten 301-303 der Kabeladern 300 stufenweise freigelegt. Dann werden die einander entsprechenden supraleitfähigen Schichten der beiden Kabeladern 300 mit elektrischen Verbindungselementen 504 elektrisch miteinander verbunden, sodass eine supraleitfähige elektrische Verbindung zwischen den einander entsprechenden supraleitfähigen Schichten 301-303 der beiden Kabeladern 300 hergestellt ist.
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Die Muffe 500 ist so ausgebildet, dass der aus dem Kabelabschnitt 412 in den Muffenkryostat einströmende flüssige Stickstoff durch einen Zulauf 506 (Zulauf 416 in 4A, 4B) in die Zwischenkühlstation 414 einströmt. In der Zwischenkühlstation 414 erhöht die Pumpe 417 den Druck des flüssigen Stickstoffs und die Kältemaschine 418 reduziert dessen Temperatur. Der so aufbereitete flüssige Stickstoff strömt durch einen Rücklauf 507 (Rücklauf 419 in 4A, 4B) in den Muffenkryostat 503 zurück. Ein elektrisch isolierender Schlauch 508 führt den Stickstoff in den Hohlraum des Formkörpers 200 auf dem die supraleitfähige Schicht 301 des supraleitfähigen Kabels 411 aufgebaut ist. Durch einen Rücklauf 509 (Rücklauf 419 in 4A, 4B) strömt der in der Zwischenkühlstation 414 abgekühlte flüssige Stickstoff in den Innenraum des Kryostaten 502 des Kabelabschnitts 411. Um zu verhindern, dass der flüssige Stickstoff aus dem Kabelabschnitt 412 an der Zwischenkühlstation 414 vorbei und direkt in den Kryostaten 502 des Kabelabschnitts 411 strömt, ist eine Dichtung 511 vorgesehen, die den Hohlraum des Kabelkryostaten 502 des Kabelabschnitts 411 abdichtet. Auf diese Weise wird erreicht, dass die einzige strömungsmäßige Verbindung für flüssigen Stickstoff zwischen dem Kryostaten 502 des Kabelabschnitts 412 und dem Kryostaten 502 des Kabelabschnitts 411 durch die Zwischenkühlstation 414 führt.
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Die elektrische Energie zur Versorgung der Zwischenkühlstation 414 wird an der äußeren supraleitfähigen Schicht 303 des Kabelabschnitts 412 abgegriffen. Hierfür ist ein elektrisches Verbindungselement 512 an der supraleitfähigen Schicht 303 elektrisch leitend angeschlossen und wird durch eine thermische isolierte elektrische Durchführung 513 aus dem Muffenkryostaten 503 herausgeführt. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist das elektrische Verbindungselement 512 an die supraleitfähige Schicht 302 oder 301 des Kabels 412 angeschlossen. Darüber hinaus ist es grundsätzlich auch möglich, das elektrische Verbindungselement 512 mit einer der supraleitfähigen Schichten 301-303 des Kabelabschnitts 411 zu verbinden. Welche der supraleitfähigen Schichten 301-303 in welchem der Kabel 411 bzw. 412 kontaktiert wird, hängt von dem jeweiligen Anwendungsfall ab.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, das in 6 dargestellt ist, weist ein supraleitfähiges Kabelsystem 600 mehrere supraleitfähige Kabel 401a-401c auf, die jeweils mindestens zwei supraleitfähige Kabelabschnitte 411,412 umfassen, die mit Muffen 413 verbunden sind. Die supraleitfähigen Kabel 401a-401c weisen eine oder mehrere supraleitfähige Schichten auf. Das supraleitfähiges Kabelsystem 600 kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn sehr hohe Ströme übertragen werden sollen, die mit einem einzelnen supraleitfähigen Kabel nicht übertragbar sind.
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Das supraleitfähige Kabel 401a ist mit einer erfindungsgemäßen Muffe 500 verbunden, die es ermöglicht eine supraleitfähige Schicht in dem Kabel 401a zu kontaktieren, um elektrische Energie abzugreifen und der Zwischenkühlstation 414 über die elektrische Verbindung 424 zuzuführen. Die Zwischenkühlstation 414 ist an den Muffen 500,413 aller supraleitfähigen Kabel 401a-401c strömungsmäßig angeschlossen, so das Kühlmittel auf der einen Seite jeder Muffe aus einem Kabelkryostaten heraus über Zuläufe 416a-416c zu der Zwischenkühlstation 414 und über Rückläufe 419a-419c von der Zwischenkühlstation 414 auf der anderen Seite der Muffen 413 in den anderen Kabelkryostaten zurückfließt. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind die Zuläufe 416a-416c und Rückläufe 419a-419c neben den Muffen 500 bzw. 413 dargestellt. In einer konkreten Ausführungsform sind die Zuläufe 416a-416c und Rückläufe 419a-419c an den Muffen 500,413 angeordnet. Die Zuläufe 416a-416c und Rückläufe 419a-419c, stellen somit zwischen dem jeweiligen Kabelkryostaten der supraleitfähigen Kabel 401a-401c und der Zwischenkühlstation 414 eine strömungsmäßige Verbindung für das Kühlmittel her. Die Zwischenkühlstation 414 kühlt dabei das Kühlmittel aller supraleitfähigen Kabel 401a-401c ab und/oder erhöht dessen Druck.
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Bei den Muffen, welche die supraleitfähigen Kabelabschnitte miteinander verbinden, bei denen keine elektrische Verbindung zu einer supraleitfähigen Schicht vorgesehen ist, ist dementsprechend auch keine thermische isolierte Durchführung 513 vorgesehen.
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In 7 ist ein Ausschnitt eines weiteren supraleitfähigen Kabelsystems 700 gezeigt. Das Kabelsystem 700 unterscheidet sich von den Kabelsystemen 400b (4B) bzw. 600 (6) durch eine Zwischenkühlstation 414, die mit einem Wärmetauscher 701 ausgerüstet ist, der nach dem Prinzip eines offenen Kühlsystems funktioniert. In dem Wärmetauscher 701 wird Kühlmittel, insbesondere flüssiger Stickstoff aus einem Bad mittels einer Pumpe 702 abgepumpt, um den flüssigen Stickstoff auf eine tiefe Temperatur abzukühlen. Der von der Pumpe 702 abgesaugte gasförmige Stickstoff wird an einem Auslass 703 in die Umgebung abgegeben. Eine Fluidleitung 704 stellt eine strömungsmäßige Verbindung zwischen dem Kabel Kryostaten des Kabelabschnitts 412 und dem Wärmetauscher 701 her. Über diese Fluidleitung 704 wird der flüssige Stickstoff, der in dem Wärmetauscher 701 verdampft und an die Umgebung abgegeben wird wieder aus den Kabelkryostaten des Kabelabschnitts 412 ersetzt. Ein Ventil 706 hält einen im wesentlichen konstanten Pegel von flüssigem Stickstoff in dem Wärmetauscher 701 aufrecht, sodass die Zufuhr von flüssigem Stickstoff im zeitlichen Mittel dem Verbrauch von flüssigem Stickstoff entspricht. Der Wärmetauscher 701 ersetzt die Kältemaschine 418, die in den Kabelsystemen 400b und 600 verwendet wird. Ansonsten funktioniert die Zwischenkühlstation 700 genauso wie die Zwischenkühlstationen 414 der Kabelsysteme 400b, 600. Mittels der Pumpe 417 wird ein Kühlmittelstrom aus dem supraleitfähigen Kabelabschnitt 412 abgesaugt, durch den Wärmetauscher 701 geleitet und in abgekühlter Form dem Kabelabschnitt 411 wieder zugeführt. Die elektrische Energie für den Betrieb der Zwischenkühlstation 414 wird wieder über die elektrische Verbindung zugeführt.
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Die Fluidleitung 704 ersetzt somit einen Kryotank mit einem Vorrat an flüssigem Stickstoff, der sonst am Ort der Zwischenkühlstation 714 installiert und im Betrieb immer wieder mit flüssigem Stickstoff nachbetankt werden müsste.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Supraleitfähiges Kabel
- 101,102
- Endverschluss
- 103
- Kryostat
- 200
- hohler Formkörper
- 201
- Hohlraum
- 202
- supraleitfähigen Leiterschicht
- 203
- Schutzhülle
- 204
- Dielektrikum
- 206
- Schirm
- 207
- Hohlraum
- 208
- Inneres Kryostat Rohr
- 209
- Superisolation
- 211
- äußeres Kryostatrohr
- 212
- Mantel
- 300
- supraleitfähige Kabelader
- 301-303
- supraleitfähige Schicht
- 306-308
- Dielektrikum
- 400a, 400b
- supraleitfähiges Kabelsystem
- 401
- supraleitfähiges Kabel
- 402,403
- Endverschluss
- 404
- Kühlanlage
- 406
- Zulauf
- 407
- Rücklauf
- 408
- Kühlmittel Vorratstank
- 409
- Speiseleitung
- 411
- Supraleitfähiger Kabelabschnitt
- 412
- Supraleitfähiger Kabelabschnitt
- 413
- Muffe
- 414
- Zwischenkühlstation
- 416
- Zulauf
- 417
- Pumpe
- 418
- Kältemaschine
- 419
- Rücklauf
- 421
- Leitungsmast
- 422
- Elektrische Leitungen
- 424
- Elektrische Verbindung
- 500
- Muffe
- 502
- Kryostat
- 503
- Muffenkryostat
- 504
- Verbindungselemente
- 506
- Zulauf
- 507
- Rücklauf
- 508
- Schlauch
- 509
- Rücklauf
- 511
- Dichtung
- 512
- Elektrisches Verbindungselement
- 513
- Thermisch isolierte Durchführung
- 600
- Supraleitfähiges Kabelsystem
- 700
- Kabelsystem
- 701
- Wärmetauscher
- 702
- Pumpe
- 703
- Auslass
- 704
- Fluidleitung
- 706
- Ventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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