DE2119696C3

DE2119696C3 - Dehnungskörper für supraleitende Kabel

Info

Publication number: DE2119696C3
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: 1975-06-12
Also published as: US3725565A; DE2119696B2; FR2136607A5; GB1340181A; DE2119696A1

Description

1. Dehnungskorper für supraleitende Kabel, bei 4fenen das Supraleitennaterial auf der Innenseite 4pnes Starren Außenrohres und auf der Außenseite eines starren Innenrohres aus norraalleitea-4em Material angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in beide starren SÖhre Sonnalleitende, ebenfalls mit Supraleitennaterial beschichtete WelUxihre eingefügt sied, von denen das innere Wellrohr mittels sich trichterfgnnig · «rweiternder Übergangsstücke an das starre Innenrohr angeschlossen ist und einen gegenüber dem Innenrohr derart vergrößerten Mindestdurchmesser aufweist, daß die magnetische Feldstärke an der äußeren Oberfläche des inneren Wellrohres die magnetische Feldstärke an der Süßeren Oberfläche des Innenrohres nicht überschreitet und daß beide Wellrohre durch Füh- ao ningselemente konzentrisch zueinander und zur Kabelachse geführt sind.

2. Dehnungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch das äußere Wellrohr durch sich trichterförmig erweiternde Übergangs- as stücke an das starre Außenrohr angeschlossen ist

3. Dehnungskörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindestabstand zwischen dem äußeren und dem inneren Wellrohr wenigstens gleich dem Abstand zwischen den starren Rohren ist.

4. Dehnungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Übergangsstelle vom starren Rohr zum Wellrohr bzw. zum Übergangsstück die supraleitenden Schichten verstärkt und miteinander verschweißt sind.

5. Dehnungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rippen der Wellrohre durch an den Rippen befestigte Drähte oder Metallgeflechte so miteinander verbunden sind, daß lokale Überdehnungen vermieden werden.

6. Dehnungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß als Führungselemente im feldfreien Raum Metallbuchsen und/oder im felderfüllten Raum Kunststoffbuchsen mit Anschlägen zur Begrenzung des Dehnungsweges angeordnet sind.

Bei supraleitenden Kabeln ist es bekannt, das supraleitende Leitermaterial auf Rohre aus hochreinem Metall, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, aufzubringen, die beil der Betriebstemperatur des Supraleiters von beispielsweise etwa 4 bis S K elektrisch normalleitend sind und eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit besitzen. Eine solche Bauform eignet sich insbesondere auch für Wechselstrom- bzw. Drehstromkabel, bei denen für jede Phase eine konzentrische Rohranordnung verwendet wird. Dabei dient das Innenrohr als Hinleiter, das Außenrohr als Rückleiter, während die Verkettung der Phasen außerhalb des eigentlichen Kabels erfolgt. Das elektromagnetische Feld bildet sich dabei nur zwischen dem Innen- und dem Außenleiter aus. Bei den technischen ■Wechselstrom-;

Metalle, wie Nioblpder Blei, bewährt, die nur sehr kleine Hystereseverluste aufweisen, wenn man unter ,der kritischen Feldstärke B~ bleibt. Die Rohre aus Kupfer oder Aluminium dienen bei anomalen Betriebszuständen, beispielsweise bei Kurzschlüssen oder Überlast, zur elektrischen Stabilisierung des Supraleiters und übernehmen den Strom, wenn der Supraleiter ganz oder teilweise in den elektrisch normalleitenden Zustand übergehen sollte.

Das Supraleitennaterial wird bei Wechsel- und Drehstromkabeln zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten in den gut leitenden Kupfer- oder Aluminiumrohren auf der Außenseite des Innenrohres und auf der Innenseite des Außenrohres aufgebracht Die elektrische Isolation zwischen Hin- und Rückleiter geschieht zweckmäßig durch Hochvakuum oder flüssiges Helium unter überkritischem Druck

(P>2,3 10*N/m*),

um damit eine Zweiphasenströmung, die auch strömungstechnisch zu Komplikationen führt, zu vermeiden. Zur Abstützung der beiden Rohre gegeneinander werden noch hochspannungsfeste Stutzer benötigt, deren Verluste bei hinreichend großen Abständen jedoch kaum eine Rolle spielen. Die Rohre sind ferner in einem Schutzrohr angeordnet, das zur thermischen Isolation evakuiert wird. Ferner kann zwischen den koaxialen Rohren des Kabels und dem äußeren Schutzrohr noch ein beispielsweise mit flüssigem Stickstoff gekühlter Strahlungsschild aus Metall, beispielsweise Kupfer, vorgesehen sein.

Bei der Inbetriebnahme eines supraleitenden Kabels der geschilderten Bauart treten Schwierigkeiten durch die Schrumpfung des Materials auf, aus dem die Trägerrohre bestehen und die bei Heliumtemperatur etwa 3,2°/« bei Kupfer und 4,2% bei Aluminium beträgt Man hat also je 100 m Kabellänge beim Herunterkühlen auf die Betriebstemperatur von etwa 4 bis S K mit Verkürzungen von etwa 32 bis 42 cm zu rechnen. Ein Ausgleich dieser Verkürzungen kann durch Dehnungskörper erreicht werden, die in die starren Rohre eingefügt werden.

Wellrohrartige Dehnungsko^pei zum Dehnungsausgleich in Rohrleitungen sowohl für heiße als auch für kryogene Flüssigkeiten sind an sich bekannt (US-PS 3 127 200 und US-PS 3 453 716). Femer ist es bekannt, bei Supraleitungskabeln die den Kabelleiter umgebenden, zur Kühlmittelführung bzw. thermischen Isolierung dienenden Rohrmäntel als Wellrohre auszubilden (»Elektrotechnische Zeitschrift«, Ausgabe A, 89 (1968), Seite 329). Weiterhin ist es bekannt, isolierte elektrische Leiter, die mittels lösbarer Verbindungen zu Baueinheiten zusammenfügbar sind, an den Verbindungsstellen als wellrohrartige, dehn- und zusammendrückbare Körper auszubilden (DT-PS 1133447).

Nähere Untersuchungen haben nun ergeben, daß die Bedingungen für eine einwandfreie Funktion von Dehnungskörpern in einem supraleitenden Kabel, bei dein das Supraleitennaterial auf der Innenseite eines starren Außenrohres und auf der Außenseite eines starren Innenrohres aus normalleitendem Material angeordnet ist, nur unter Beachtung einer Reihe von wichtigen Voraussetzungen einzuhalten sind. Dies gilt insbesondere für Wechselstromkabel, bei denen eine in den Dehnungskörpern auftretende Er-

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*ψ IShung der Wechselstromveriuste gegeauber den pdt so'groß sdn wie der Durchmesser des statten starren ,Kabelstücken einen erhöhten Hefiumdurch- Innenrohres, damit die Bedingung für das Γ" ' ' *~ '^) satz unädamt«men vei^ßertenEülümittelaufwand ¹^■--■--*-™--**-*---^ ^ ^--■-»-* »--

erforderlich machen würde, rohr weniger stark zusaiumen|

^! Der Erfindung liegt somit die Angabe zugrunde, '%. Magnetfeld an sejnerOberfliML· ..__„ , „

einen Dehnungskörper für sopraleitende 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 AüSenro&es und auf der Mindestdurchmesser des WeHrohres größer sein als Außenseite eines starren Innenrohres aus normaEei- der Durchmesser des starren Innenrohres.
tendm Material angeordnet ist Die betriebsmäßigen to Weiterhin als kritisch für die Entstehung von VerAnforderungen an einen solchen Dehnungskörper losten 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 teflmit Süprcleitennaterial beschichtete Wellrohre einge- weise nicht konzentrisch zur Rohrachse, so erhöht fügt sind, von denen das innere Wellrohr mittels sich is sich das Magnetfdd an der Seite, an der sich das trichterförmig erweiternder Obergangsstücke an das innere WeUrohr dem äußeren stärker nähert, während starre Innenrohr angeschlossen ist und einen gegen- es an der gegenüberliegenden Seite abnimmt. Es laßt 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 ao Verluste fuhrt, selbst wenn an der Engstelle das kriinagoetische Feldstärke an der äußeren Oberfläche tische Magnetfeld H_ei nicht überschritten wird, des Innenrohres nicht überschreitet und daß beide Durch die erfindungsgemäß vorgesehene konzen-WeUrohre durch Führungselemente konzentrisch zu- trische Führung der Wellrohre werden derartige einander und zur Kabelachse geführt sind. Wechselstromverluste vermieden.

Durch diese Konstruktion wird berücksichtigt, daß as Ferner ist es vorteilhaft, auch das äußere WeUrohr an der Oberfläche des auf dem starren Innenrohr be- durch sich trichterförmig erweiternde Ubergangsfindlichen 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 WeUrohr 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 Spannungsfestigbelastet werden. Bei einem rohrförmigen Leiter ist keit zwischen innerem und äußerem WeUrohr einen die magnetische Feldstärke an der Oberfläche propor- 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 rohrfönni- 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 WeUrohr Weitungen des Wellrohres gebildeten Einsenkungen, 40 also an der Innenseite und am äußeren Wellrohr an deuten der in der supraleitenden Schicht fließende der Außenseite. Neben oder statt der metallischen Strom folgt, das Magnetfeld sowohl des in die Em- 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 dalür gesorgt, daß die magnetische Feldstärke an der hochreinem Aluminium oder hochreinem Kupfer beäulJeren, 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 Wcchselstromverluste auftreten. Wie groß der Min- Seite her die Wellkörper sich wegen der Schrumpfung deiiitdurchmesser 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 Dehnungsfähigbeiim Betrieb des Kabels zusammengeschoben ist. Für keit überschritten wird. Um dies zu vermeiden, kann desa einen Grenzfall, daß das WeUrohr so dicht zu- man auf den einzelnen Rippen der Wellrohre Drähte sainmengeschoben ist, daß die einzelnen WeUungen 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 WeU-

rohr an dessen Innenseite und am äußeren Wellrohr an dessen Außenseite.

Jeitere JBigenschaften und Vorteile des erfindungsißen Dehnungskörpers sollen im folgenden an Hqnd eines Ausführungsfreispieles beschrieben! werden, das in. der Figur schematisch dargestellt ill Die Figur ,zeigt im Längsschnitt eine Ausfühnmjsfonn eines Dehnungskörpers nach der Erfindung,,unu zwar im oberen Teil Λ im gedehnten, im unteren TeUB im zusammengeschobenen Zustand. Der gesamte, Dehnungsweg beträgt Δ1. Das nonnalleitende Inmenrohr des Kabels ist mit 1, das nonnalleitende Auftsnrohr init 2 bezeichnet Avf beiden Rohren sind supntel· Ie Schichten 3 bzw. 4 aufgebracht An die Rohre I Übergangsstücke 5,6,7 und 8 angeschlossen, die _ . zumindest auf einem Teil ihrer lunge trichterförmig erweitern und in Wellrohre 9 bzw. 10 übergehen. Die Weilrohre sind ebenfalls mit Supmleitermaterial 3 bzw. 4 beschichtet, das sich an 4er Außenseite des inneren Weihohres 9 und as der Innenseite des äußeren Wellrohres 10 befindet. Zur konzentrischen Führung der Wellrohre sind metallische Buchsen 11 und 12 mit Anschlägen 13 und 14 vorgesehen, die im Zusammenwirken mit Anschlägen 15 und 16 an den Übergangsstücken 7 und 8 den

begrenzen. Außerdem ist zwischen die beiden Wellrohre 9 und 10 eine Kunststoffbuchse 17 einjtesetzt, die mit Kanälen 18 für den Durchfluß des gkachzeifig als elektrische Isolation dienenden Kühlmittels versehen ist Bei Vakuumisolation zwischen Innenleiter und Außenleiter erleichtern die Kanäle 18 die Evakuierung des Raumes zwischen Innen- und Außenleiter des Kabels. Die einzelnen Ripf cn der Wellrohre 9 und 10 sind an den mit 19 bzw. 20 bezeichneten Stellen mit Drähten 21 und 22 verschweißt, denen Länge so gewählt ist, daß sie im gedehnten Znstand des Dehnungskörpers etwa gestreckt sind and dadurch gleiche Abstände der emzelnen Rippen jedes Wellrohres erzwingen.

Ans der Figur ist deutsch zu erkennen, daß der Mindestdurchmesser des inneren Wellrohre» 9, gemessen zwischen der supraleitenden Oberflächenschicht, gegenüber dem Mindestdurchmesser des Innenrohresl des Kabels erhöht ist

Die Wellrohre können zweckmäßig aus Rohren aus Reinstkupfer oder Reinstaluminium hergestellt wer-

den, die zunächst-durch Plattieren oder Elektrolyse, durch Abscheiden supraleitenden, Materials aus der Gasphase oder₄ durch Bedampfen mit dem Supraleitennaterial beschichtet und anschließend .in bekannter Welse zu einem Wellrohr verarbeitet werden.

ίο Die aufgebrachten supraleitenden Schichten sind verhältnismäßig dünn. DJe supraleitenden Schichten können daher an den, Enden der.> Wellrohre bzw. der !«ÄgangsstBcke vorteilhaft verstärkt

sein, vgL die Stellen 23, 24, 25 und 26 in der Figur, »5 damit sie mit den Schichten der stauen Rohre ver· schweißt werden können. Es hat sich gezeigt, daß man beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißen zu oner supraleitenden Verbindung der Schichten kommen fa"m, deren Stromtragfähigkeit denjenigen der ao glatten Rohre ebenbürtig ist

Die in der Figur dargestellte Konstruktion ist auch dann anwendbar, wenn in den Dehnungskörpern bei Vaknumisolation zwischen ISn- and Rückleiten! von außen durch das dann außerhalb des Außenleiters as und inneriiaih des Innenleiters befindliche Kühlmittel mehrere 10¹NZm* Druck auf die Wellrohre einwirken. Durch die Führungsmittel werden trotzdem lokale Ober dehnungen, Exzentrizitäten and Knicken

3« Die Verwendung von

Prnfing ermöglicht es, große Kt

nach de agen sowohl

bei Gleich- ab auch bei Drehstrombetrieb aus glatten Rohren beizustellen, die mit großer dielektrischer Festigkeh «!«gebildet werden können. Der völlige

Ausgleich der Schrumpfungen vermeidet das Auftreten mechanischer Spannungen, ermöglicht also verhältnismäßig leichte Abstützungen and damit geringe WärmebrSckea. Die Stellen, an denen die Debnungskorper m «Be Kabel eingesetzt smd, schaffen konstrnktive Möglichkeiten für Kupplungen starrer Rohriängea and für den AnsdnsS von Vakuumpumpen bei Kabeln mit Vakunmisouition.

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Claims

Patentansprüche:

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