DE2139378B1 - Kabelader fuer supraleitende wechselstromkabel - Google Patents

Description

• Der Kabelleiter 3 ist als Hohlleiter ausgeführt und aus handelsüblichen - kupferstabilisierten NiQb-Zinn-Bandleitern zusammengesetzt. F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch einen derartigen Bandleiter schematisiert und in stark vergrößertem Maßstab. Symmetrisch zur Mittelebene befinden sich zwei supraleitfähige Nb3Sn-Schichten, die nach bekannten Verfahren in einem Diffusionsprozeß - ausgehend von einem dünnen, beidseitig verzinnten Niob streifen - hergestellt werden und zwischen zwei Cu-Bändern liegen. Die Kupferauflage gewährleistet eine gute thermische und elektrische Stabilisierung des Supraleiters. Ferner ist dafür gesorgt, daß die spröde intermetallische Verbindung Nb3Sn durch Anordnung in der Nähe der neutralen Zone bei Biegung nicht leidet.
• Bandleiter dieser Art werden üblicherweise mit einer Breite von 5 bis 20 mm und mit Kupferbelägen von einigen Zehntelmillimeter Stärke hergestellt. Die Dicke d der aktiven Supraleiterschichten liegt im allgemeinen bei 5 bis 10 pm.
• Auf Grund vereinfachender physikalischer Modellüberlegungen lassen sich die Wechselstromverluste in einer supraleitenden Schicht der beschriebenen Art quantitativ abschätzen. Für die Verlustleistung in W pro Quadratzentimeter Schichtoberfläche ergibt sich: Pv = 4,22. 10-». f (Bm- (Bm~ZI B)3/j. (1) Diese Beziehung gilt unter der Voraussetzung, daß das Magnetfeld beliebig in das Material eindringen kann und parallel zur Oberfläche gerichtet ist (>)Kanteneffekte» mit Feldkomponenten senkrecht zur Oberfläche müssen vermieden werden). Darin bedeutet d die Frequenz des Wechselstromes, der in der Schicht fließt und jo ihre kritische Stromdichte. Bm ist der Maximalwert der magnetischen Fluß dichte an der Schichtoberfläche. a B bezeichnet die Fluß dichte, bis zu der sich die Schicht noch wie ein Supraleifer erster Art (Niobium) verhält, und liegt bei 100 bis 200 G.
• Bm richtet sich nach den Abmessungen des Kabelleiters und dem in ihm fließenden Gesamtstrom. Wie weiter unten an Hand eines Ausführungsbeispieles gezeigt wird, läßt sich mit Hilfe einer geeigneten Leitergeometrie Bm für einen gegebenen Nennstrom ausreichend niedrig halten.
• Als Zahlenwert für die kritische Stromdichte in Nb3Sn-Schichten sind nach dem Stand der Technik 106 bis 2. 106 A/cm» einzusetzen. Auf Grund dieser hohen Stromdichtwerte lassen sich, basierend auf Gleichung (1), Kabeladern mit Hochfeld-Supraleitern ausführen, ohne daß die Wechselstromverluste unzulässig groß werden. Um die Verluste möglichst niedrig zu halten und die Stromtragfähigkeit möglichst hoch zu treiben, wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, daß das Magnetfeld weitgehend parallel zur Oberfläche der supraleitenden Schichten verläuft. Dies wird an Hand der F i g. 2 und 3 erläutert.
• In F i g. 2 bezeichnet 1 den Leiter-Kühlkanal (Durchmesser D0), durch den in bekannter Weise Helium von einigen K im flüssigen oder überkritischen Zustand senkrecht zur Zeichenebene strömt. 2 stellt eine Leiter-Stützkonstruktion dar, die nach Patentanmeldung P 20 18 404.7-34 aus Ringen bestehen kann, die in Längsrichtung durch Drähte od. ä. miteinander verbunden sind, und die eine bezüglich Biegung um die Kabelachse ausreichende Flexibilität besitzt. 3 bezeichnet den Hohlleiter mit dem mittleren DurchmesserDl, 4 die elektrische Isolierung und 5 eine für Wechselstrorakabel zur Verringerung der Gesamtverluste zweckmäßige Abschirmung mit einem Durchmesser D.
• Entsprechend der genannten Patentanmeldung läßt sich die Kabelader nach F i g. 2 flexibel und kontraktionskompensiert ausbilden, indem Leiter 3, Isolierung 4 und Abschirmung 5 aus spiralig gewundenen Bändern hergestellt werden. Dabei müssen die Schlaglängen der Leiter- und Abschirmungsbänder und die Schlaglänge, mit der die Isolierstoffbänder aufgewickelt werden, nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten entsprechend den unterschiedlichen Kontraktionskoeffizienten der betreffenden Materialien einander angepaßt werden.
• In F i g. 3 ist der Kabelhohileiter 3 vergrößert dargestellt. Er besteht z. B. aus zwei Lagen von supra leitenden kupferstabilisierten Nb3Sn-Bändern 3 a nach F i g. 1. Wie ersichtlich, überlappen sich die supraleitenden Bänder 3a an den Bandkanten 6. Dadurch wird erreicht, daß das Magnetfeld an der Peripherie des Hohlleiters zur Erzielung einer möglichst hohen Stromtragfähigkeit und möglichst niedriger Wechselstromverluste weitgehend vergleichmäßigt wird. Auf dem Leiterumfang sind abwechselnd mit den Bandleitern 3a weitere Bandleiter 3b geringerer Breite vorgesehen. Sie können bei reduzierter Stromtragfähigkeit zwecks Kosteneinsparung aus normalleitendem Material (Cu, Al) oder zur Ausnutzung der größtmöglichen Stromtragfähigkeit dieser Leiterkonfiguration ebenfalls aus supraleitendem - Bandmaterial nach F i g. 1 bestehen. In diesem Fall werden zweckmäßigerweise in beiden Lagen Bänder gleicher Breite vorgesehen.
• Zur thermischen Isolierung gegen die Umgebung wird die Kabelader in einem Wärmeschutzsystem, vorzugsweise flexibler Bauart (z. B. P. A. K 1 a u d y, ETZ-A 89, 1968/14, 5. 325 bis 330) untergebracht.
• Hinsichtlich der Kühlung der Kabelader ist zu bemerken, daß die Verwendung von Niob-Zinn-Supraleitern besonders vorteilhaft ist, da ihre Übergangstemperatur mit 18,5 K rund doppelt so hoch ist wie bei anderen technisch anwendbaren Supraleitern (vor allem Niob-Titan) und somit eine entsprechende Freizügigkeit in der Dimensionierung des Kabelkühlkreislaufes ermöglichen.
• Die bei Kabeladern der beschriebenen Bauweise auftretenden Wechselstromverluste und die erzielbare Stromtragfähigkeit werden an Hand eines Zahlenbeispieles näher erläutert.
• Es sei ausgegangen von einem Kabel für ein 220-kV/ 50-Hz-Drehstromsystem mit einem Nennstrom I = 3000 A, d. h. 1140 MVA Übertragungsleistung.
• Mit den verfügbaren Leiter- und Isoliermaterialien lassen sich die genannten Strom- und Spannungswerte (127 kV gegen Erde) beherrschen, wenn folgende Durchmesser nach F i g. 2 vorgesehen werden: Do = 5cm, D1 = 6 cm, D2 = 10,6 cm. Bei Nennstrom ergeben sich dann für die spezifischen Wechselstromverluste in den Supraleitern des Hohlleiters und der Abschirmung rund 0,5 suW/cm2 [Gl. (b]. Hinzu kommen die Kupferverluste, die sich jedoch bei kleiner Banddicke niedrig halten lassen. Nimmt man, ausgehend von Nb3Sn-Bandleitern mit Kupferbelägen von 0,02 cm Dicke, die Kupferverluste hinzu, so resultieren als Wechselstromverluste 4 mW pro Meter Kabelader. Verluste in dieser Höhe sind hinsichtlich der thermischen Belastung des Helium-Kühisystems durchaus tragbar, vor allem, weil sie wesentlich niedriger sind als die durch das Wärmeschutzsystem von außen zufließende Leistung (Richtwert 100 mW/ m) und die dielektrischen Verluste (bei dem betrachteten Beispiel etwa 60 mW/m).
• Eine Kabelader nach F i g. 2 und 3 mit den vorgenannten Abmessungen bleibt auch bei Kurzschlußbeanspruchung noch supraleitend. Rechnet man mit einem mittleren Kurzschlußstrom Ih = 10 In und nach VDE 0670 mit dem Scheitelwert des Stoßkurzschlußstromes 1, = 1,8. #. Ie = 25,5 In, so würde in der betrachteten Kabelader die maximale Flußdichte am Hohlleiter 5,1 kG, an der Abschirmung 2,9 kG betragen. Auf Grund der Daten von handelsüblichen kupferstabilisierten Niob-Zinn-Bandleitern (z. B. General Elctric Co, Druckschrift GEZ 4700 B, Dezember 1969) würde bei diesen Flußdichtewerten und bei dem zugeordneten Strombelag pro Zentimeter Umfang noch kein Übergang Supraleitung-Normalleitung stattfinden.
• Solange der Kurzschlußstrom fließt, treten naturgemäß im Leiter und in der Abschirmung erhöhte Wechselstromverluste auf. Dabei lassen sich die Verluste in den supraleitenden Schichten nicht mehr nach Gleichung(1) berechnen, da jetzt die effektive Eindringtiefe größer als die halbe Schichtdicke ist Statt dessen gilt für die Kurzschlußwechselstromverluste (W pro Quadratzentimeter LeiterRäche): F,'=10#»#f#jc.(Bm-#B)#(kd)2. (2) In dieser Gleichung ist noch eine Korrektur anzubringen, da zwei supraleitende Schichten vorhanden sind, die voneinander durch eine normalleitend gewordene Niob-Schicht getrennt sind.
• Der Zahienfaktor k berücksichtigt, daß in dem Material nach F i g. 1 bei hohen Strömen der Verbund Nb3Sn/Nb/Nb3Sn als Ganzes zu betrachten ist. Für den Grenzfall, daß der Nb-Streifen seine Supraleitfähigkeit bereits verloren hat, ist zur Abschätzung der Verluste ungünstigstenfalis k = 3 einzusetzen. In der als Beispiel betrachteten Kabelader würden dann bei dem vorausgesetzten mittleren Kurzschlußstrom Ik insgesamt 2,4 WJm (Supraleiter- und Kupferverluste) anfallen. Geht man beispielsweise davon aus, daß der Kurzschlußstrom nach 0,1 s ausgeschaltet wird, was mit modernen Hochleistungsschaltern durchaus möglich ist, so erhöht sich die Bandleitertemperatur um weniger als 0,1 K. Somit kann ohne Gefährdung des Kabels beispielsweise nach einigen Zehntelsekunden eine Wiedereinschaltung vorgenommen werden, d. h., die eingangs erwähnte Forderung der Kurzunterbrechung im Netzbetrieb ist erfüllt.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Kabelader für supraleitende Wechselstromkabel, dadurch gekennzeichnet, daß der Kabelleiter (3) aus bandförmigen, sich an den Bandkanten (6) überlappenden und spiralig gewundenen Hochfeldsupraleitern (3 a) besteht.
2. 2. Kabelader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kupferstabilisierte Nb3-Sn-Bandleiter (3a) verwendet sind.
3. 3. Kabelader nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer großen Stromtragfähigkeit ElSandleiter in mehreren Lagen vorgesehen sind und sich die Bandleiter an den Kanten wechselweise überlappen.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Kabelader für supraleitende Wechselstromkabel, die zur Übertragung großer Leistungen in Drehstromsystemen geeignet sind.

   Im Gegensatz zu supraleitenden Gleichstromkabeln treten bei Wechselstromkabeln im Leitermaterial betriebsmäßig Verluste auf. Sie müssen bei sehr tiefer Temperatur von der Helium-Kälteanlage abgeführt werden und sollen so niedrig wie möglich sein; andernfalls ist die Wirtschaftlichkeit eines supraleitenden Wechselstromkabels in Frage gestellt. Aus diesem Grunde sind als Leitermaterialien bisher vorwiegend Supraleiter, wie Niobium, verwendet worden, wobei die magnetische Feldstärke an der Leiteroberfläche im Betrieb unterhalb des Wertes »H01« des betreffenden Materials liegt. Die Wechselstromverluste von Niob sind bei üblicher Netzfrequenz (50 oder 60 Hz) ausreichend niedrig, und bei entsprechender Leiterkonfiguration lassen sich Kabel-Nennströme in der Größenordnung von einigen kA beherrschen, ohne daß die kritische Feldstärke (rund 1000 A/cm bei 5 bis 6 K mittlerer Kabelleitertemperatur) überschritten wird(G.BognerundF.Schmidt,Naturwissenschaften 57/1970, H. 9, 5. 414 bis 422, oder P. K 1 a ud y, Bull. S.E.V. 61, 1970/25, 5. 1179 bis 1190).

   Es ist ein Leiter aus supraleitendem Material bekannt (deutsche Offenlegungsschrift 1 812 025), der aus einem Blech dünner Wandstärke besteht, das auf einem oder mehreren Trägerkörpern angeordnet ist.

   Der Leiter wird dabei aus einem längs einlaufenden Band zu einem Rohr geformt, dessen Bandkanten miteinander verschweißt werden.

   Bei den bekannten Kabelkonzepten wird aus Kostengründen der SLxplaleiter nur für den Nennstrom dimensioniert und zur Beherrschung von Betriebsstörungen (Kurzschlußströrne) mit Normalleitern hoher Leitfähigkeit (Kupfer, Aluminium) kombiniert. Dadurch läßt sich erreichen, daß der Überstrom, bei dem die Supraleitung verlorengeht, größtenteils von den betreffenden Normalleitern übernommen wird. Entsprechend bemessen sind sie in der Lage, kurzzeitig den mehrfachen Nennstrom zu tragen, bis die Störung beseitigt ist. Diese Maßnahme gewährleistet, daß das Kabel nicht zerstört wird, auch wenn beispielsweise im Kurzschlußfall während 0,1 5 der 10fach Nennstrom fließt (Mittelwert des Stoßkurzschiußwechselstromes mit zeitlich abklingender Gleichstromkomponente). Die hierbei in den Leitern entwickelte Wärme muß von dem Heliumkühlsystem abgeführt werden. Die Kälteanlage für einen entsprechend großen, aber nur gelegentlich auftretenden Kälteleistungsbedarf auszulegen, verbietet sich aus wirtschaftlichen Überlegungen. Infolgedessen muß nach einer Kurzschluß ausschaltung eine Betriebspause eingelegt werden, bis der Kabelleiter wieder auf die erforderliche Temperatur abgekühlt ist Rechnet man z. B. mit einer ökonomisch noch vertretbaren KüElleistungsreserve von 20 °/o, so würde sich bei technisch sinnvoller Kabelkonstruktion eine Abkühlzeit, d. h.

   Betriebspause, nach der vorgenannten Kurzschlußbeanspruchung von mehreren Stunden ergeben. Unter elektrizitätswirtschaftlichen Betriebsbedingungen werden jedoch wesentlich kleinere stromlose Pausen gefordert, z. B. einige Zehntelsekunden bei )>Kurzschlußunterbrechung« (Kurzschiußausschaltung mit anschließender Wiedereinschaltung). Diese Bedingungen lassen sich mit kältetechnisch tragbarem Aufwand erfüllen, wenn die Wärmeentwicklung durch Kurzschiußströme im Kabel auf ein Mindestmaß reduziert, d. h. der Übergang Supraleitung-Normalleitung vermieden wird, und zwar entweder durch Strombegrenzung mit Hilfe spezieller Schutzeinrichtungen oder durch Verwendung von Hochfeld-Supraleitern statt z. B. Niob.

   Strombegrenzungsanlagen (B. K a 1 k n e r, ETZ-A 87, 1966/19, S. 681 bis 685; P.A.Klaudy, Elektrotechnik und Maschinenbau 85, 1968, 5. 990 bis 998; E. M as s ar, ETZ-A89, 1968/14, 5. 335 bis 339) werden mit dem betreffenden Kabel in Reihe geschaltet.

   Der damit verbundene Aufwand an zusätzlichen Betriebsmitteln kann die Gesamtwirtschaftlichkeit einer Kabelstrecke in Frage stellen, insbesondere, wenn nur kurze Streckenabschnitte geschützt werden sollen.

   Die Erfindung geht daher von der Aufgabenstellung aus, ein supraleitendes Wechselstromkabel zu schaffen, welches ohne Normalleiter und ohne Strombegrenzungseinrichtungen Überströme und Kurzschiußströme beherrscht.

   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kabelleiter aus bandförmigen, sich an den Kanten überlappenden und spiralig gewundenen Hochfeld-Supraleitern besteht.

   Zweckdienliche Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

   Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 den Aufbau des verwendeten Hochfeld-Supraleiterbandes, Ei i g. 2 den Aufbau der Kabelader, F i g. 3 einen vergrößerten Ausschnitt des Kabelleiters.