DE2119696B2

DE2119696B2 - Dehnungskörper für supraleitende Kabel

Info

Publication number: DE2119696B2
Application number: DE2119696A
Authority: DE
Inventors: Fritz 8520 Erlangen Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-04-22
Filing date: 1971-04-22
Publication date: 1974-10-10
Also published as: GB1340181A; US3725565A; FR2136607A5; DE2119696A1; DE2119696C3

Description

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höhung der Wechselstromverluste gegenüber den pelt so groß sein wie der Durchmesser des starren starren Kabelstücken einen erhöhten Heliumdurch- Innenrohres, damit die Bedingung für das Magnetfeld satz und damit einen vergrößerten Kühlmittelaufwand an seiner Oberfläche eingehalten wird. Wird das Wellerforderlich machen würde. rohr weniger stark zusammengeschoben, so wird das

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, 5 Magnetfeld an seiner Oberfläche weniger stark erhöht, einen Dehnungskörper für supraleitende Kabel zu und das Wellrohr kann einen kleineren Mindestschaffen, bei denen das Supraleitermaterial auf der durchmesser haben. Auf jeden Fall muß aber der Innenseite eines starren Außenrohres und auf der Mindestdurchmesser des Wellrohres größer sein als Außenseite eines starren Innenrohres aus nonnallei- der Durchmesser des starren Innenrohres,
tendem Material angeordnet ist. Die betriebsmäßigen io Weiterhin als kritisch für die Entstehung von VerAnforderungen an einen solchen Dehnungskörper lusten hat sich eine Abweichung der Wellrohre von lassen sich gemäß der Erfindung dadurch erfüllen, der konzentrischen Anordnung erwiesen. Sitzt nämdaß in beide starren Rohre normalleitende, ebenfalls lieh beispielsweise das innere Wellrohr ganz oder teilmit Supraleitermaterial beschichtete Wellrohre einge- weise nicht konzentrisch zur Rohrachse, so erhöht fügt sind, von denen das innere Wellrohr mittels sich 15 sich das Magnetfeld an der Seite, an der sich das trichterförmig erweiternder Übergangsstücke an das innere Wellrohr dem äußeren stärker nähert, während starre Innenrohr angeschlossen ist und einen gegen- es an der gegenüberliegenden Seite abnimmt. Es läßt über dem Innenrohr derart vergrößerten Mindest- sich durch Rechnungen nachweisen, daß jede außerdurchmesser aufweist, daß die magnetische Feldstärke mittige Lage des Innenleiters zu einer Erhöhung der an der äußeren Oberfläche des inneren Wellrohres die 20 Verluste führt, selbst wenn an der Engstelle das krimagnetische Feldstärke an der äußeren Oberfläche tische Magnetfeld B_ci nicht überschritten wird, des Innenrohres nicht überschreitet und daß beide Durch die erfindungsgemäß vorgesehene konzen-Wellrohre durch Führungselemente konzentrisch zu- trische Führung der Wellrohre werden derartige einander und zur Kabelachse geführt sind. Wechselstromverluste vermieden.

Durch diese Konstruktion wird berücksichtigt, daß 25 Ferner ist es vorteilhaft, auch das äußere Wellrohr

an der Oberfläche des auf dem starren Innenrohr be- durch sich trichterförmig erweiternde Übergangs-

findlichen Supraleiters eine maximale magnetische stücke an das starre Außenrohr des Kabels anzu-

Feldstärke nicht überschritten werden darf, wenn die schließen. Zwar ist die magnetische Feldstärke an

Wechselstromverluste den für das Kabel höchstzu- dem als Rückleiter dienenden starren Außenrohr und

lässigen Wert nicht überschreiten sollen. Bis zu dieser 30 damit auch an dem in dieses eingeschalteten Wellrohr

maximalen magnetischen Feldstärke kann der Supra- wegen des größeren Durchmessers geringer als am

leiter beim normalen Betrieb des Kabels mit Strom Innenrohr, doch kann die benötigte Spannungsfestig-

belastet werden. Bei einem rohrförmigen Leiter ist keit zwischen innerem und äußerem Wellrohr einen

die magnetische Feldstärke an der Oberfläche proper- Mindestabstand zwischen diesen erforderlich machen,

tional zu dem über den Leiter fließenden Strom und 35 der wenigstens gleich dem Abstand zwischen den

umgekehrt proportional zum Durchmesser des Lei- starren Rohren ist.

ters. Betrachtet man nun statt eines starren rohrförmi- Die Mittel zur Führung der Wellrohre können aus gen Leiters ein mit einer supraleitenden Schicht ver- metallischem Material bestehen und sind dann im sehenes Wellrohr, so zeigt sich, daß in den durch die feldfreien Raum anzubringen, am inneren Wellrohr Wellungen des Wellrohres gebildeten Einsenkungen, 40 also an der Innenseite und am äußeren Wellrohr an denen der in der supraleitenden Schicht fließende der Außenseite. Neben oder statt der metallischen Strom folgt, das Magnetfeld sowohl des in die Ein- Führungsmittel können auch Kunststoffe mit gerinsenkungen hinein als auch das Magnetfeld des aus gem Verlustwinkel verwendet werden, die man dann den Einsenkungen herausfließenden Stromes wirk- auch im Raum zwischen beiden Wellrohren anordnen sam wird. Dadurch wird die magnetische Feldstärke 45 kann. Als Führungselemente dienen dabei vorteilhaft an der Oberfläche des Wellrohres erhöht. Beim erfin- Buchsen, die mit Anschlägen zur Begrenzung des dungsgemäßen Dehnungskörper ist nun durch ent- Dehnungsweges der Wellkörper versehen sind,
sprechende Bemessung des Mindestdurchmessers des Weiterhin kann es in vielen Fällen vorteilhaft sein, über sich trichterförmig erweiternde Übergangsstücke Mittel vorzusehen, welche die verhältnismäßig ungünan das starre Innenrohr angeschlossenen Wellrohres 50 stigen elastischen Eigenschaften der vorzugsweise aus dafür gesorgt, daß die magnetische Feldstärke an der hochreinem Aluminium oder hochreinem Kupfer beäußeren, mit Supraleitermaterial beschichteten Ober- stehenden Wellrohre berücksichtigen. Es ist in der fläche des Wellrohres die magnetische Feldstärke an Regel nicht möglich, zur Verbesserung der elastischen der Oberfläche des starren rohrförmigen Innenleiters Eigenschaften den hochreinen Leitermaterialien Zunicht überschreitet. Dadurch wird erreicht, daß das 55 sätze, wie beispielsweise Zink zu Kupfer, hinzuzufügen, Kabel bis zur maximalen magnetischen Feldstärke an da durch solche Zusätze die elektrische Leitfähigkeit der Oberfläche des rohrförmigen Innenleiters belastet erheblich herabgesetzt wird. Man muß also damit werden kann, ohne daß im Dehnungskörper erhöhte rechnen, daß beim Herabkühlen des Kabels von einer Wechselstromverluste auftreten. Wie groß der Min- Seite her die Wellkörper sich wegen der Schrumpfung destdurchmesser des inneren Wellrohres im Einzelfall 60 der davorliegenden Rohre nach dieser Seite hin aussein muß, hängt davon ab, wie weit das Wellrohr dehnen, wobei unter Umständen ihre Dehnungsfähigbeim Betrieb des Kabels zusammengeschoben ist. Für keit überschritten wird. Um dies zu vermeiden, kann den einen Grenzfall, daß das Wellrohr so dicht zu- man auf den einzelnen Rippen der Wellrohre Drähte sammengeschoben ist, daß die einzelnen Wellungen oder Metallgeflechte, beispielsweise aus Edelstahl, praktisch aneinanderstoßen, erhöht sich das Magnet- 65 durch Löten oder Schweißen derart befestigen, daß feld an der Oberfläche gegenüber einem glatten Rohr örtliche Überdehnungen der Wellkörper vermieden mit gleichem Durchmesser etwa um den Faktor 2. Der werden. Die Drähte bzw. Metallgeflechte müssen sich Mindestdurchmesser des Wellrohres muß dann dop- im feldfreien Raum befinden, d. h. am inneren Well-

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rohr an dessen Innenseite und am äußeren Wellrohr schicht, gegenüber dem Mindestdurchmesser des

an dessen Außenseite. Innenrohres 1 des Kabels erhöht ist.

Weitere Eigenschaften und Vorteile des erfindungs- Die Wellrohre können zweckmäßig aus Rohren aus gemäßen Dehnungskörpers sollen im folgenden an Reinstkupfer oder Reinstalumimum hergestellt wer-Hand eines Ausführungsbeispieles beschrieben wer- 5 den, die zunächst durch Plattieren oder Elektrolyse, den, das in der Figur schematisch dargestellt ist. Die durch Abscheiden supraleitenden Materials aus der Figur zeigt im Längsschnitt eine Ausführungsform Gasphase oder durch Bedampfen mit dem Supraeines Dehnungskörpers nach der Erfindung, und zwar leitermaterial beschichtet und anschließend in beim oberen Teil A im gedehnten, im unteren Teil B im kannter Weise zu einem Wellrohr verarbeitet werden, zusammengeschobenen Zustand. Der gesamte Deh- io Die aufgebrachten supraleitenden Schichten sind vernungsweg beträgt A 1. Das normalleitende Innenrohr hältnismäßig dünn. Die supraleitenden Schichten köndes Kabels ist mit 1, das normalleitende Außenrohr nen daher an den Enden der Wellrohre bzw. der mit 2 bezeichnet. Auf beiden Rohren sind supralei- Übergangsstücke vorteilhaft verstärkt ausgebildet tende Schichten 3 bzw. 4 aufgebracht. An die Rohre sein, vgl. die Stellen 23, 24, 25 und 26 in der Figur, sind Übergangsstücke 5, 6, 7 und 8 angeschlossen, die 15 damit sie mit den Schichten der starren Rohre versieh zumindest auf einem Teil ihrer Länge trichter- schweißt werden können. Es hat sich gezeigt, daß man förmig erweitern und in Wellrohre 9 bzw. 10 über- beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißen zu gehen. Die Wellrohre sind ebenfalls mit Supraleiter- einer supraleitenden Verbindung der Schichten kommaterial 3 bzw. 4 beschichtet, das sich an der Außen- men kann, deren Stromtragfähigkeit derjenigen der sehe des inneren Wellrohres 9 und an der Innenseite 20 glatten Rohre ebenbürtig ist.

des äußeren Wellrohres 10 befindet. Zur konzentri- Die in der Figur dargestellte Konstruktion ist auch

sehen Führung der Wellrohre sind metallische Buch- dann anwendbar, wenn in den Dehnungskörpern bei

sen 11 und 12 mit Anschlägen 13 und 14 vorgesehen, Vakuumisolation zwischen Hin- und Rückleitern von

die im Zusammenwirken mit Anschlägen 15 und 16 außen durch das dann außerhalb des Außenleiters

an den Übergangsstücken 7 und 8 den Dehnungsweg 25 und innerhalb des Innenleiters befindliche Kühlmittel

begrenzen. Außerdem ist zwischen die beiden Well- mehrere 10⁵ N/m² Druck auf die Wellrohre einwir-

rohre9 und 10 eine Kunststoffbuchse 17 eingesetzt, ken. Durch die Führungsmittel werden trotzdem

die mit Kanälen 18 für den Durchfluß des gleichzei- lokale Überdehnungen, Exzentrizitäten und Knicken

tig als elektrische Isolation dienenden Kühlmittels vermieden.

versehen ist. Bei Vakuumisolation zwischen Innen- 30 Die Verwendung von Dehnungskörpern nach der leiter und Außenleiter erleichtern die Kanäle 18 die Erfindung ermöglicht es, große Kabellängen sowohl Evakuierung des Raumes zwischen Innen- und bei Gleich- als auch bei Drehstrombetrieb aus glatten Außenleiter des Kabels. Die einzelnen Rippen der Rohren herzustellen, die mit großer dielektrischer Wellrohre 9 und 10 sind an den mit 19 bzw. 20 be- Festigkeit ausgebildet werden können. Der völlige zeichneten Stellen mit Drähten 21 und 22 ver- 35 Ausgleich der Schrumpfungen vermeidet das Aufschweißt, deren Länge so gewählt ist, daß sie im ge- treten mechanischer Spannungen, ermöglicht also verdehnten Zustand des Dehnungskörpers etwa ge- hältnismäßig leichte Abstützungen und damit geringe streckt sind und dadurch gleiche Abstände der ein- Wärmebrücken. Die Stellen, an denen die Dehnungszelnen Rippen jedes Wellrohres erzwingen. körper in die Kabel eingesetzt sind, schaffen kon-

Aus der Figur ist deutlich zu erkennen, daß der 4° struktive Möglichkeiten für Kupplungen starrer Mindestdurchmesser des inneren Wellrohres 9, ge- Rohrlängen und für den Anschluß von Vakuummessen zwischen der supraleitenden Oberflächen- pumpen bei Kabeln mit Vakuumisolation.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Frequenzen haben sich als Supraleitermaterialien für Patentansprüche: Wechselstrom- und Drehstromkabel am besten reine Metalle, wie Niob oder Blei, bewährt, die nur sehr

1. Dehnungskörper für supraleitende Kabel, bei kleine Hystereseverluste aufweisen, wenn man unter denen das Supraleitermaterial auf der Innenseite 5 der kritischen Feldstärke H_n bleibt. Die Rohre aus eines starren Außenrohres und auf der Außen- Kupfer oder Aluminium dienen bei anomalen Beseite eines starren Innenrohres aus normalleiten- triebszuständen, beispielsweise bei Kurzschlüssen oder dem Material angeordnet ist, dadurch ge- Überlast, zur elektrischen Stabilisierung des Supraleikennzeichnet, daß in beide starren Rohre ters und übernehmen den Strom, wenn der Supraleinormalleitende, ebenfalls mit Supraleitermaterial io ter ganz oder teilweise in den elektrisch normalleitenbeschichtete Wellrohre eingefügt sind, von denen den Zustand übergehen sollte.

das innere Wellrohr mittels sich trichterförmig Das Supraleitermaterial wird bei Wechsel- und

erweiternder Übergangsstücke an das starre In- Drehstromkabeln zur Vermeidung von Wirbelstrom-

nenrohr angeschlossen ist und einen gegenüber Verlusten in den gut leitenden Kupfer- oder Alumini-

dem Innenrohr derart vergrößerten Mindest- 15 umrohren auf der Außenseite des Innenrohres und

durchmesser aufweist, daß die magnetische Feld- auf der Innenseite des Außenrohres aufgebracht. Die

stärke an der äußeren Oberfläche des inneren elektrische Isolation zwischen Hin- und Rückleiter

Wellrohres die magnetische Feldstärke an der geschieht zweckmäßig durch Hochvakuum oder flüssi-

äußeren Oberfläche des Innenrohres nicht über- ges Helium unter überkritischem Druck
schreitet und daß beide Wellrohre durch Füh- 20 (P ^> 2 3 · 10s N/ 2"»

rungselemente konzentrisch zueinander und zur ^ ' ''

Kabelachse geführt sind. um damit eine Zweiphasenströmung, die auch strö-

2. Dehnungskörper nach Anspruch 1, dadurch mungstechnisch zu Komplikationen führt, zu vermeigekennzeichnet, daß auch das äußere Wellrohr den. Zur Abstützung der beiden Rohre gegeneinander durch sich trichterförmig erweiternde Übergangs- 25 werden noch hochspannungsfeste Stützer benötigt, stücke an das starre Außenrohr angeschlossen ist. deren Verluste bei hinreichend großen Abständen je-

3. Dehnungskörper nach Anspruch 2, dadurch doch kaum eine Rolle spielen. Die Rohre sind ferner gekennzeichnet, daß der Mindestabstand zwischen in einem Schutzrohr angeordnet, das zur thermischen dem äußeren und dem inneren Wellrohr wenig- Isolation evakuiert wird. Ferner kann zwischen den stens gleich dem Abstand zwischen den starren 30 koaxialen Rohren des Kabels und dem äußeren Rohren ist. Schutzrohr noch ein beispielsweise mit flüssigem

4. Dehnungskörper nach einem der Ansprüche Stickstoff gekühlter Strahlungsschild aus Metall, bei-1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Über- spielsweise Kupfer, vorgesehen sein.

gangssteile vom starren Rohr zum Wellrohr bzw. Bei der Inbetriebnahme eines supraleitenden Ka-

zum Übergangsstück die supraleitenden Schichten 35 bels der geschilderten Bauart treten Schwierigkeiten

verstärkt und miteinander verschweißt sind. durch die Schrumpfung des Materials auf, aus dem

5. Dehnungskörper nach einem der Ansprüche die Trägerrohre bestehen und die bei Heliumtempe-1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzel- ratur etwa 3,2 %> bei Kupfer und 4,2 %> bei Aluminen Rippen der Wellrohre durch an den Rippen nium beträgt. Man hat also je 100 m Kabellänge beim befestigte Drähte oder Metallgeflechte so mitein- 40 Herunterkühlen auf die Betriebstemperatur von etwa ander verbunden sind, daß lokale Überdehnungen 4 bis 5 K mit Verkürzungen von etwa 32 bis 42 cm zu vermieden werden. rechnen. Ein Ausgleich dieser Verkürzungen kann

6. Dehnungskörper nach einem der Ansprüche durch Dehnungskörper erreicht werden, die in die 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Füh- starren Rohre eingefügt werden.

rungselemente im feldfreien Raum Metallbuch- 45 Wellrohrartige Dehnungskörper zum Dehmmgssen und/oder im felderfüllten Raum Kunststoff- ausgleich in Rohrleitungen sowohl für heiße als auch büchsen mit Anschlägen zur Begrenzung des Deh- für kryogene Flüssigkeiten sind an sich bekannt (US-nungsweges angeordnet sind. PS 3 127 200 und US-PS 3 453 716). Ferner ist es

bekannt, bei Supraleitungskabeln die den Kabelleiter 50 umgebenden, zur Kühlmittelführung bzw. thermischen

Isolierung dienenden Rohrmäntel als Wellrohre auszubilden (»Elektrotechnische Zeitschrift«, Ausgabe A, 89 (1968), Seite 329). Weiterhin ist es bekannt, iso-

Bei supraleitenden Kabeln ist es bekannt, das lierte elektrische Leiter, die mittels lösbarer Verbinsupraleitende Leitermaterial auf Rohre aus hochrei- 55 düngen zu Baueinheiten zusammenfügbar sind, an den nem Metall, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, Verbindungsstellen als wellrohrartige, dehn- und zuaufzubringen, die bei der Betriebstemperatur des sammendrückbaie Körper auszubilden (DT-PS Supraleiters von beispielsweise etwa 4 bis 5 K elek- 1133 447).

trisch normalleitend sind und eine sehr gute elektri- Nähere Untersuchungen haben nun ergeben, daß

sehe Leitfähigkeit besitzen. Eine solche Bauform eig- 60 die Bedingungen für eine einwandfreie Funktion von net sich insbesondere auch für Wechselstrom- bzw. Dehnungskörpern in einem supraleitenden Kabel, Drehstromkabel, bei denen für jede Phase eine kon- bei dem das Supraleitermaterial auf der Innenseite zentrische Rohranordnung verwendet wird. Dabei eines starren Außenrohres und auf der Außenseite dient das Innenrohr als Hinleiter, das Außenrohr als eines starren Innenrohres aus normalleitendem Mate-Rückleiter, während die Verkettung der Phasen außer- 65 rial angeordnet ist, nur unter Beachtung einer Reihe halb des eigentlichen Kabels erfolgt. Das elektroma- von wichtigen Voraussetzungen einzuhalten sind, gnetische Feld bildet sich dabei nur zwischen dem Dies gilt insbesondere für Wechselstromkabel, bei Innen- und dem Außenleiter aus. Bei den technischen denen eine in den Dehnungskörpern auftretende Er-