DE2157125B2

DE2157125B2 - Stromzuführung für elektrische Einrichtungen mit auf Tieftemperatur gekühlten Leitern

Info

Publication number: DE2157125B2
Application number: DE2157125A
Authority: DE
Inventors: Hubert 8521 Eltersdorf Koehler; Fritz 8520 Erlangen Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-11-17
Filing date: 1971-11-17
Publication date: 1974-12-05
Also published as: GB1402300A; DE2157125C3; DE2157125A1; US3764726A; FR2161646A5; IT970858B; JPS4863695A; CA965167A; CH548128A

Description

Die l.rlindunt: bezieh si·. Ii auf eine Stromzuführung 'üi- elektrische Lninchtungcn mit auf Tieltemperaiur 'ekuhhen Leitern, inibesondere Supraleitern, deren ■ü ic ar- einem Nonr.illeiter angeschlossen ist. der mit .•inen' Vv armeauskuisi her versehen ist.

Bei elektrischen Hinrichtungen mit Supraleitern, beispielsweise bei supraleitenden Kabeln. Spulen oder Ma-,'Innen, muß häufig elektrischer Mrom dem auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungteniperatur abgekühlten Supraleiter von einer auf höherer Temperatur. !!!•-besonder'.¹ auf Raumtemperatur, belindlichen Stelle /1.geführt werden. Pa der Supraleiter schon wen unter Raumtemperatur seine Supra'.eitfiili.gkeit verlieren wurde, wird zur Überbrückung der Temperaturdifferenz elektrisch normalleitendes Material, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, verwendet, das an einer Steile mit dem Supraleiter verbunden ist. die auf einer Temper...ur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gehalten wird.

In supraleitenden Wechsel- oder Drehstromkabeln können die Leiter bekanntlich als konzentrische Rohre gestaltet sein, deren Innenrohr als llinleiter und deren /Vißenrohr als Rückleiier benutzt wird. Die Verkettung der drei Phasen erfolgt außerhalb des eigentlichen Kabels. Diese Anordnung hai den Vorteil, daß sich das elektromagnetische Feld nur zwischen dem Innen- und dein Außenleiter befindet. Die Supraleiter für Wechselstrom von 50 Hz werden am besten aus reinen Metallen, wie beispielsweise Niob oder Blei, hergestellt. Diese haben nur sehr geringe Hystereseverluste, solange man unter einer vorbestimmten kritischen Feldstärke bleibt. Solche Kabel mit konzentrischen Leitern können bei hohen Spannungen von beispielsweise 220 kV und höher betrieben werden. Da supraleitende Kabel für extrem hohe Übertragungsleistungen im Bereich von etwa 1 GW an aufwärts eingesetzt werden, sind die Stromz.uführungen somit nicht nur für hohe Spannung, sondern auch für hohe Ströme von etwa IO kA an aufwärts auszuführen.

Als Kühlmittel für Supraleiter kommt praktisch nur Helium in Frage. Man braucht somit nur eine Stromzu-

führung fur hohe Spannung uiul hohe Strome, die IHr L'in Temperaturgefälle von Raumtemperatur his unier halb der Sprungieniperaiur des Supraleiters ausgelegt ist, sondern auch eine spannungsfeste Zuführung der Kuhlmedien, weil diese sich auf Leitcrpoiential und so- s nut auf 1 lochspanming befinden.

Aus der deutschen Offenlegungsschrifi 1 hb5 «MO ist eine Sirom/ufi'ihrung /u einem supraleitenden Kabel bekannt, hei der Wärmeaustauscher vorgesehen sind, die sich in diiektem Kontakt mit dem Nornuilletter he- iq finden. Diese Ausführungsforni ist jedoch wegen der verhältnismäßig geringen Lange der Kühlmitiel/ufuhrungen nur für mittlere Leiterspannungen geeignet.

Aus der Druckschrift »Conference on Low Temperatures Electrics and Power«, London, 24. bis 2b. i 1%ή. Seiten 254. 255 und 259 ist eine Stromzuführung /u einem Supraleiter bekannt mit Wärmeaustauschern für den Normalleiter, die durch elektrische Isolierstoffe vnm Nr>rm;illeiter getrennt ist. Für eine hoehspannuiiL'Mcsic Stromzuführung müssen entsprechend .■■. hochwertige elektrische Isoiierslolle Verwende! wer den Solehe Isolierstoffe sind ledoeh schlechte ^A .irine lei'.er. Mi! dieser Alisführungsform erhall 11,111 deshalh rut /i.nehmneder Spannung und hohem Strom en.·- relati\ !!'.-ringe Wärmeabführung.

Xt,!' kann /war in solchen Siromzuluhrungen lur I .ei;e; die sieh auf kryogener Temperatur befinden, ti,in iiulste.L-ende. durch das Sieden der Kühlflüssigkeit ent stehende ( ias, das sich entsprechend erwärmt, zur Kühlung der Stroinziifuhrung benutzen. Bei der Kühlung v: von elektrischen Einrichtungen mit Supraleitern, insbe sondere supraleitenden Wechselstrumkabeln, mit einem gasförmig-flüssigen Zweiphasengemisch können leeloch Schwierigkeiten auftreten, weil die längs dos Kabels auftretende Verdampfung zu standig zuneh rmender Strömungsgeschwindigkeit des (iases fuhrt, das die Elüssigkeitstropfen mitreißt unil damit eine gleichmäßige Kühlung verhindert.

Die Verwendung von verdampfenden Kühlmitteln bei getrennten Kühlaggregaten für die Kühlung der v> .Stromzuführung hat ausßcrdem den Nachteil, daß nur eine verhältnismäßig geringe Spannungsdifferenz überbrückt werden kann, weil verdampfende Kühlmittel im gasformigen Zustand bei Normaldruck bekanntlich nur eine erheblich verminderte Durchschlagsspanniing be .j< sitzen. Verdampftes Helium ha', beispielsweise bei Normaltemperaüir nur eine Durchschlagsfestigkeit von etwa } kV/cni. die sich bei strömendem Gas noch vermindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine so Stromzuführung für elektrische Einrichtungen mit Supraleitern zu schaffen, die für hohe Ströme und ein hohes Leiterpotential bei kryogencn Temperaturen geeignet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgcmäß dadurch gelöst, daß die Zu- und Ableitung des Kühlmittels ss zum Wärmetauscher aus elektrisch isolierendem Material bestellen und jeweils als Spirale gestaltet sind, tieren Windungen den Normalleiter umschließen, und daß der Zu- und Ableitung jeweils eine clktrische Wider Standsanordnung zugeordnet ist, die einen Spannurtgsteiler bildet, der einen Spannungsgradienten in der Kühlflüssigkeit erzeugt, der kleiner ist als die Durch-Schlagsspannung für entsprechende Längeneinheiten. Die Widerstandsanordnung kann in einfacher Weise aus einer Halbleiterschicht an der Innenoberfläche des Kühlrohres bestehen. Diese Halbleiterschicht erzeugt einen konstanten Spannungsgradienten und damit einen stetigen Spannungsvcrlauf über der Länge Kühlmiitelzii- oder Kiihlmittehibleitung. Es kann aber auch eine Widerstandsanordnung vorgesehen sein, welche die (iesamtspannung über der Rohrlänge in vorzugsweise gleiche Stufen unterteilt. Zu diesem Zweck kann ein ohmscher, ein ohmisch-kapazilivcr oder ein kapazitiver Spannungsteiler vorgesehen sein.

I iir die Kühlung der Stromzuführung kann vorzugsweise ein einphasiges Kühlmittel, beispielsweise flüssiges Helium, verwendet werden, das die Wärme von einem Wärmeaustauscher abfuhrt, der auf dem Normalleiter in unmittelbarer Nähe des Supraleiteranschlusses angeordnet ist. Z.ur stufenweisen Temperatur fuhrung des Normalleiters von der Temperatur des Supraleiters auf Raumtemperatur können zweckmäßig noch mehrere Wärmeaustauscher, vorzugsweise in direktem Kontakt mit dem Normalleiter, angeordnet sein, deren Wärme mit anderen Kühlmitteln abgeführt wird. Es kann beispielsweise der dem Supraleiieranschluß benachbarte Wärmeaustauscher mit Helium, ein weiterer mit Wasserstoff und ein Dritter mit Stickstoff gekühlt w erden.

Line besonders voneilii.ilic '--eitere 'Vusgesialiiiug der Stromzuführung nach der r.i findung besteht dann, daß wenigstens die Zuleitung odei die Ableitung des Kühlmittels zu den einzelnen Wärmeaustauschern den Mantel eines Kegelstumpfs bildet, dessen Achse etwa glc'.'h der Achse des Normalleiters ist. Der Außen durchmesser leder tier Windungen wird dann wenigstens annähernd gleich, vorzugsweise etwas großer ge wählt als tier Innendurchmesser der folgenden größeren Windung der Spirale. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Kuhlmiuelleitung zugleich einer. Strahlungsschild für die in Achsrichtung des Normalleiiers. beispielsweise von einer entsprechenden Durchfuhrung m Relining auf ilen Supraleiter eingestrahlte Warme bildet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Stromzuführung füi einen Supraleiter nach der Ltfindung schematisch veranschaulicht ist.

In E i g. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Stromzuführung lür eine Phase mit koaxial zueinander angeordnetem Hin- und Rückleiter dargestellt. I-i g. 2 zeigt eine besondere Ausführungsform eines Spannungsteilers.

In I- i g. I sintl zwei koaxial zueinander angeordnete !rager 1 und 2 für jeweils einen Supraleiter vorgesehen. Der '!rager I ist außen mit einer supraleitenden Schicht 3. und der Träger 2 ist innen in gleicher Weise mit einer supraleitenden Schicht 4 verschen. Der Supraleiter 3 kann beispielsweise der Hin- und der Supraleiter 4 der Rückleiter der gleichen Phase eines supraleitenden Kabels sein. Im Zwischenraum zwischen tlcn beulen supraleitenden Schichien3 und 4,dcrcnl.age in bekannter Weise durch Stutzer 5 vorgesehen ist. befindet sich eir geeignetes flüssiges Kühlmittel 6, insbesondere Helium, das die Supralcitc 3 und 4 unterhalb ihrer Sprungtemperatur hält und in der dargestellten Ausführungsform gleichzeitig zur Kühlung und zur Spanniingsisoiicrung benutzt wird.

Abweichend Yon der dargestellten Ausführungsform kann das als Kühlmittel dienende flüssige Helium auch jeweils innerhalb des Trägers 1 und außerhalb des Trägers 2 in einem zusätzlichen Rohr geführt werden. Eine solche Aus'ührungsform ermöglicht die Isolation zwischen den b?iden Supraleitern 3 und 4 mit Hochvakuum, mit einem geeigneten Kunststoff oder mit einem ruhenden nicht strömenden Kühlmittel.

Am Ende des konzentrischen Systems mit den Lei-

lern i 11 π ti 4 ist ein Isolierkörper K angeordnet. Die Leiteranordnung sliit/.t sich mittels Siiit/er 9 iiiif einem Strahlungsschild 10 ab. das miltels einer ihermischeii Isolierung 11 in einem alliieren Schutzrohr 12 gelagert ist. An das Schutzrohr 12 ist ein Vakiiumbehälter 13 angeschlossen, der mil einem Anschluß 14 fjr eine I lochvakiiumpumpe versehen ist und der die gesamte Stromzuführung mil einem Normalleiier 20 enthüll. Der Kiieklcitcr 4 ist innerhalb des Vakuumbehälters 15 über eine kegelförmige hohle Kuhlmittel/uführung 18 zu (".nein zylindcrförmigen Leiter 15 erweitert, der mittels einer Hochvakuumdichtiing 16 nach außen geführt ist.

Die Stromzuführung zum llinlciter 1 erfolgt über eine normalicitcndc auf Normaltcmperatur und Hochspannung befindliche Durchführung 19, die gegebenenfalls mit einer besonderen Kühleinrichtung versehen sein kann. Diese Durchführung 19 kann in bekannter Weise aus einem Isolator bestehen, der außen für eine ausreichende Spannungsfestigkeit an Luft und innen für Hochvakuum ausgelegt sein muli.

Auf dem Normalleitc · 20, der beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehen und innerhalb der Durchführung 19 als massiver Leiter ausgeführt sein kann, befinden sich drei Wärmeaustauscher 21, 22 und 23, die in direktem Kontakt iiiit dem Normalleitcr stehen, der in diesem Bereich vorzugsweise aus dünnen Drähten, einem dünnen Net/geflecht oder auch aus dünnen Einzelzylindern bestehen kann, die mit 24 bezeichnet sind. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, den Normallciter im Bereich der Wärmeaustauscher 21 bis 23 aus einem anderen Material, vorzugsweise Nickel, herzustellen. Die Stärke dieser dünnen Einzelleiter wird durch die Kindringtiefe des Stromes bei der Frequenz des Leiters und der jeweiligen Temperatur bestimmt. Zur Herstellung des Tempera turgcfälles zwischen den Supraleitern 3 und 4 und der Normaltcmperatur außerhalb der Durchführung 19 können die verschiedenen Wärmeaustauscher 21 bis 23 vorzugsweise mit verschiedenen Kühlmedien gekühlt werden. Dem Wärmeaustauscher 21 kann beispielsweise über eine als Spirale gestaltete Kiihlmittelzufühning 26 flüssiges Helium zugeführt werden, das über eine Kühlmittelableitung 28 wieder abgeführt wird, deren Spirale einen Kegelstumpf bildet. Der Kegelstumpf ist so gestaltet, daß jeweils der Außendurchmesser einer kleineren Windung wenigstens annähernd so groß ist und vorzugsweise gleich oder größer ist als der Innendurchmesser der benachbarten größeren Windung. In dieser Ausführungsform dient die Kühimittelablcitung 28 zugleich als Strahlungsschild für Wärmestrahlen, die etwa in Richtung des Normalleiters 20 in den Vakuumbehälter 13 eintreten und auf die Supraleiter 3 und 4 gerichtet sind. Der folgende Wärmeaustauscher 22 kann über eine in gleicher Weise gestaltete Kühlmittelzu- und -ableitung 30 l/.w. 32 mit Wasserstoff gekühlt werden. Für den dritten Wärmeaustauscher 23 kann als Kühlmittel beispielsweise Stickstoff vorgesehen sein, das über eine Zuleitung 34 zu- und über eine Ableitung 36 abgeführt wird. In dieser Ausführungsform wird der Normallciter im Bereich der drei Wärmeaustauscher stufenweise von Raumtemperatur über die Temperatur des flüssigen Stickstoffs mit etwa 77'· K und die Temperalui <lcs flüssigen Wasserstoffs von etwa 20 K auf die Temperatur des flüssigen Heliums mit etwa 4 K herahgekiihlt. so daß sich tier Supraleilcranschluß 7 unterhalb der Spriinglemperalur der supraleitenden s Materialien befindet.

Auch der Kückleiter 11. der sich im Vakuumschalter innerhalb eines mit Stickstoff oder Wasserstoff gekühlten Strahliiugsschildes 38 befindet, kann vorteilhalt mit Wärmeaustauschern versehen sein, die in tier Figur mit

in 40 und 42 bezeichnet sind und denen über nicht niiher bezeichnete Kühlmittelzuleitungen und -ableitungen Wasserstoff oder Stickstoff als Kühlmittel zugeführt werden kann. Der Wärmeaustauscher 40 kann zweckmäßig mit Wasserstoff und der Wärmeaustauscher 42

is kann mit Stickstoff gekühlt werden.

Um einen möglichst langen Weg für die Kühlmittel Zuleitungen bei zugleich kleinem Raum zu erhalten, sind diese Leitungen spiralig von innen nach außen geführt. Diese Kühlmiltellcitungcn 26. 28. 30. 32. 34 und 36 können vorzugsweise zugleich als ohmscher, ohmischkapaziiiver oder als kapazitiver Spannungsteiler ausgeführt werden, wie er in F i g. 2 dargestellt ist. Da ein kapazitiver Spannungsteiler praktisch keine thermischen Verluste erzeugt, erscheint dieser für eine Wechselspannungszuführung besonders gut geeignet. In der Figur ist das Kühlmitlclleitungsrohr, das aus einem elektrisch nichtleitenden Material, beispielsweise aus Keramik Kunststoff, Glas oder Quarz bestehen kann, mit 44 bezeichnet. Fs ist durch ringförmige Verbindungsslückc 46, die als Potentialring dienen und aus einem elektrisch gutlcitcnden Material, beispielsweise Kupfer oder Nickel, bestehen können, in einzelne Potentialstufen aufgeteilt. Die Potentialringc 46 stehen einerseits in direktem Kontakt mit der Kühlflüssigkeit

vs im Kühlmitlclrohr 26 und andererseits im elektrisch leitenden Kontakt mit einer äußeren Metallhülse 48. Die beiden Enden der Mctallhülsc 48 sind jeweils zu einem Hohlring 50. einem sogenannten Rogowski Profil, gc faltet. Die Profile haben jeweils gegeneinander einen vorbestimmten Abstand A, der die Elektrodenkapazität bestimmt. Dieser Abstand bestimmt die Größe des kapazitiven Stromes über den Spannungsteiler. Da die Überschlagsspannung im Hochvakuum groß ist. kann dieser Spalt A relativ kleingehaltcn werden. Mit dciv Abstand der Potentialringe 46 wird der Spannungsabfall an den einzelnen Stufen des Spannungsteilers bestimmt. Dieser Spannungsabfall wird so gewählt, dal. die Durchschlagsspannung der Kühlflüssigkeit mit Si cherheit nicht erreicht wird. Für die Spanniingsfestig keit der Oberfläche steht jeweils der vcrhältnl.mäßit lange Weg eines Isolierrohrteils 52 zur Verfügung, dei durch den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgen den Poteniialringen 46 gegeben ist.

Neben der im Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 dar gestellten Gestaltung der Kühlmittelzu- oder -abfüh rung als Spannungsteiler sind auch andere Gestaltun gen zur Herstellung der Spannungsfestigkeit möglich.

Im Ausführungsbeispiel wurde die Erfindung ai

Hand einer Zuführung für ein supraleitendes Kabel er

ho läutert. Die Stromzuführung nach der Erfindung kam jedoch allgemein für elektrische Einrichtungen mit tief gekühlten Leitern verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stromzuführung fur elektrische Hinrichtungen mit auf Tiefiemperaiur gekühlten Leitern, deren Ende im einen Normalleiter angeschlossen lsi der mit einem Wärmeaustauscher versehen ist, el a durch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ableitung (26, 28. JO, 32. 34, 36) des Kühlmittels /um Wärmetauscher (21, 22, 23) aus elektrisch isolierendem Material bestehen und jeweils als Spirale ge Staltet sind, deren Windungen den Normalleiter (20, 24) umschließen, und daß der Zu- und Ableitung (26. 28, 30, 32. 34, 36) jeweils eine elektrische Widerstandsanordnung zugeordnet ist, die einen Spannungsteiler bildet, der einen Spannungsgradienten in der Kuhlflüssigkeit erzeugt, der kleiner ist als die Durchschlagsspannung des Kühlmittels für entsprechende I iinsieneinheiten der Zu- und Ableitung (26, 2«. 50. 52 54. lh).

2. Sir.im/ululir i.'g nach Anspruch !. dadurch ge kennzeichnet. JaI' die Wiili.T-.kindsanordn.inii .tu--. einer H.ilhleiterschicht an di - Imicnoherllaehc der /ti- bzw Ableitung besteht

J. Stri'iiizLiluhrung i.ach . oder -'. dadurch ire kennzeichnet, dal* ein einphasiges Kuhimiitel \oi gesehen ist.

4. Stromzulührung nach einem der Ansprüche : bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Spirale der/u ,.der Ableitung (28. 52. 5h) den Mail IeI eines Kegelslu 'pfes bildet.

>. Stromzuführung nach Anspruch 4. dadurch ge kennzeichnet, daB der Inner .lui\hi osser leder der Windungen der Spirale (28. 5?. 5b) g'eich oder klei· ner ist als der Außendiirehi esser dei benachbarteri kleineren Windung.

h. Stromzuführung nacii Anspruch i. dailurch gekennzeichnet, daß ein k.ipa/iü·. er Spannungsteiler voif'i-,chen ist (F ι g. 2).

7. Stromzuführung nach Anspruch b. dadurch ge kennzeichne'., daß die Kühlmilielleitung (26) einzelne feilstucke (44) enthält, die über ringförmige Zwischenstücke (4b) aus elektrisch leitendem Material miteinander verbunden sind, und daß jedes der Zwischenstücke (46) mit einer die Kühlmitielleitung (441 umgebenden Hülse (48) aus elektrisch leitendem Material verbunden ist. deren Linien zu einem Hohlring (50) gefaltet sind, der von dem in gleicher Weise gestaltetem Ende der benachbarten Hülse (48) einen vorbestimmten Abstand (.Λ) hat

8. Stromzuführung nueh einem tier Ansprüche I bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (21, 22, 2.3) in einem Hochvakuumgefaß (13) angeordnet ist.

9. Stromzuführung nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wärmeaustauscher (21. 22, 23) und der Wand des Hochvakuum behälters (1.3) ein Strahlungsschild (:i8) vorgesehen ist,

10. Stromzuführung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für den Strahlungsschild (38) eine besondere Kühleinrichtung vorgesehen ist.

11. Stromzuführung nach einem der Ansprüche I bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel für den Wärmeaustauscher (21) flüssiges Helium vorgesehen ist.

12. Stromzuführung nach einem der Ansprüche I bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel

fur den Wärmeaustauscher gasförmiges Helium u_n tor Überdruck vorgesehen ist.

I j. Stromzuführung nach einem der Ansprm he l bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für den Normalleiier (24) noch ein zweiter Wärmeaustauscher (22) vorgesehen ist.

14. Stromzuführung nach Anspruch IJ, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel fur den zweiten Wärmeaustauscher (22) Wasserstoff vorgesehen ist.

15. Stromzuführung nach Anspruch 14. dadurch gekennzeichnet, daß fur den Normalleiier (24) ·, :>ch ein dritter Wärmeaustauscher (23) vorgesehen ist.

Ib. Stromzuführung nach Anspruch 15. dadurch gekennzeichnet, daß für den dritten Wärmeaustauscher flüssiger Stickstof! unter Überdruck als Kuhli..^:Mel vorgesehen ist.

17. Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Rüssigkeitsz.u- oder -abführung (26, 28. 30, 32, 34, 5b) mn.-, ..Jer a^cn mit einem H::"-'. <"· he-■-chichlel isi. dessen elektrische l.eitlaliigkei! suit über die LaiiL'e des RoIm es süiteiiweise oder sleiij .lüden