DE2164706B1

DE2164706B1 - Stromzuführung fur elektrische Ein richtungen mit auf Tieftemperatur gc kühlten Leitern

Info

Publication number: DE2164706B1
Application number: DE2164706A
Authority: DE
Inventors: Peter 8550 Forchheim Massek; Guenter 8521 Spardorf Matthaeus; Fritz 8520 Erlangen Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-12-27
Filing date: 1971-12-27
Publication date: 1973-06-20
Also published as: GB1404219A; CH564855A5; DE2164706C2; NL7216793A; CA979087A; SE380679B; US3835239A; FR2170486A5; IT971899B; JPS4877786A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromzuführung für elektrische Einrichtungen mit auf Tiefu-mpcratur gekühlten Leitern, deren Ende an einen mit einem gasförmigen Kühlmedium gekühlten Normalleiter angeschlossen ist.

Bei elektrischen Einrichtungen mit auf Tieftemperatur gekühlten Leitern muß häufig elektrischer Strom dem auf die tiefe Temperatur gekühlten Leiter von einer auf höherer Temperatur, insbesondere auf Raumtemperatur, befindlichen Stromversorgung zugeführt were!JiI. Insbesondere gilt dies für elektrisch·· Einrichtungen, bei welchen die auf Tieftemperatur »^kühlten ' eiter Supraleiter sind, beispielsweise für supraleitende Kabel, Spulen oder Maschinen, bei deren Betrieb der Supraleiter auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur abgekühlt werden muß. Da der Supraleiter schon weil unter Raumtemperatur seine Supraleitfähigkeit verlieren würde, wird zur Überbrückung der Temperaturdifferenz elektrisch normalleiiendcs Material, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, verwendet, das an einer Stelle mit dem Supraleiter verbunden wird, die ebenfalls

ίο auf einer Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gehalten wird. Der Normalleiter wird somit bis zu der Anschlußstelle kontinuierlich oder auch stufenweise abgekühlt.

Man kann beispielsweise das unterhalb seiner Sprungtemperatur gehaltene Ende des Supraleiters in einem Bad eines kryogenen Mediums, beispielsweise in einem Heliumbud. anordnen. Der Normalleiter kann dann an der Anschlußstelle aus Lamellen. Drähten oder auch aus Netzen bestehen. Eine solche Ausführunusform ist bekannt aus *The Re\. of Scient. lnstr.«. Vol. 38. Nr. 12. Dezember 1%7,

S. 1776 bis 1779. Durch die thermischen Verluste der Kontaktstelle wird das flüssige Helium verdampft.

Das kalte Heliumgas steigt durch die Leiterlamellen oder das Leiternetz aufwärts und führt die Joule's ehe Wärme und die vom Normalleiter einströmende Wärme ab. Hierbei erwärmt sich das Heliumgas etwa auf Raumtemperatur. Zur Erhöhung der Wärmeabführung kaⁿr das Heliumbad auch mit einer zusätzlichen Wi'.irequelle versehen sein oder man kann auch zusätzliches Heliumgas in die Stromzuführung einleiten. An der oberen Kontaktstelle des Normalleiters mit der Stromversorgung wird das Heliumgas abgefangen und einer Kältemaschine zur V'erflüssi- »ung wieder zugeführt. Da bei solchen abgasgekühlten Stronnersorgungen der Wärmeinhalt des gasförmigen Kühlmediums gut ausgenutzt wird, benötigen diese Stromzuführungen nur einen verhältnismäßig geringen Kühlaufwand.

Sollen nun hohe Übertragungsleistungen erzielt werden, bei denen beispielsweise supraleitende Kabel erst wirtschaftlich werden, so ist man gezwungen, entsprechend hohe Spannungen von beispielsweise 110 kV oder sogar 22OkV und höher zu verwenden.

Diese Stromzuführungen müssen dann an einem Ende mit dem tiefgekühlten Leiter kontaktiert werden, während sich das andere Ende, das an die kon- \entionelle Stromversorgung angeschlossen ist, auf höherer Temperatur, vorzugsweise auf Raumtempeso ratur, befindet. Das Kühlmittel strömt an den Einzelleitern der Stromzuführung entlang und befindet sich somit in engem Kontakt mit dem Leiter, der sich auf Hochspannungspotential befindet. Die Kältemaschine für das Kühlmittel liegt dagegen im allgemeincn auf Erdpotential. Eine Gasabführung des Kühlmittels vom Hochspannungspotential über ein Isolierrohr ist nicht ohne weiteres möglich, weil Heliumgas von etwa 300° K eine sehr niedrige Durchschlagsspaniuing besitzt, die sich noch zusätzlich vermindert, wenn das Gas strömt.

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß die Durchschlagspannung der als Kühlmittel benutzten gasförmigen kryogenen Medien dadurch erhöht werden kann, daß die Ionisierung des Gases durch zusätzliche Maßnahmen wesentlich vermindert wird. Die Erfindung besteht nun darin, daß dem Kühlmedium ein elektronegatives Gas oder ein elektronegativer Dampf oder ein organisches Radikal oder dessen

anorganisches Analogon zugesetzt ist. Dieses zugesetzte Medium bindet die während der Ionisierung freigesetzten Elektronen. Sie werden an die Moleküle des zugesetzten Mediums angelagert und gehen damit für die weitere Ionisierung verloren. Durch diese Bindung der freien Elektronen erhält man einen entsprechenden Anstieg der Durchschlagspannung.

Als elektronegüüves Gas kann vorzugsweise gas- oder dampfförmiges Fluor F, Chlor Q. Brom Br oder Jod .1 oder eine gasförmige Verbindung, die wenigstens eines dieser Elemente enthält, insbesondere Schwefelhexafluorid SF₁., verwendet werden. Geeignet sind auch die sogenannten Sieherheitskaltemiltel (1-rigene). soweit sie solche Elemente enthalten. Das sind beispielsweise die Verbindungen Monufluor-Inchlormethan CFCl., und Difluordichlormethan (,T₁G, sowie Triüuormonochlormelhan CF .Cl. Außerdem ist als anorganisches Analogon eines RatiiKals beispielsweise Stickstoffdioxid NO, als Zusatz |L-L-is'i'.i. Ferner kann reiner Sauerstoff (")., ..X elekjfi-negatives (las zugesetzt werden. Durch diesen Zus:h/. wird die Durchschlagsfestigkeit des dampfförmigen Kühlmediums so weit erhöht, daß das Gasgemisch \nm Mochspannungspotential durch ein Isolierrohr mit einer wirtschaftlich vertretbaren Länge auf Erdpiitenlial abgeleitet werden kann.

Aul Erdpotential kann dann der Gas- oder Dampf/usatz ausgefroren und das dadurch gereinigte kühlgas der Kältemaschine zugeiührt werden. Zum Ausfrieren, sind Kühlfallen geeignet. Die Trennung ties Gasgemisches auf Erdpotential ist ferner möglich durch die Anwendung von erhöhtem Druck, der beispielsweise durch einen Kompressor erzeugt werden kann. Schwefelhexafluorid verflüssigt sich beispielsweise bei einer Temperatur von 300 K und einem Druck \on etwa 24 bar. Bei 273 K verflüssigt es .••ich sogar schwn bei einem Druck von 13.5 bar. In einem Druckbehälter sammelt sich dann das verflüssigte Schwefelhexafluorid am Boden und kann in einem unter gleichen Druck gehaltenen Behälter abgefüllt und dem Kreislauf wieder zugeführt werden.

Zur weiteren Erläuterung der Er^findung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Stromzuführung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. In F i g. 2 ist die Wirkung des dem Kühlgas zugesetzten Mediums in einem Diagramm veranschaulicht.

In F i g. 1 1st das Ende eines Supraleiters mit 2. ein Anschlußstück des Supraleiters an einen Normallciter mit 4. ein Kühlmittelbad mit 6 und ein Behälter für das Bad mit 8 bezeichnet. Der Behälter 8 schließt auch ein aus Einzelleitern 100 bestehendes Ende eines Normalleiters ein, der mit 12 und dessen Anschluß mit 14 bezeichnet ist. Im Behälter 8 befinden sich ferner Düsen 16 zwischen den als Leiterlamellen 10 gestalteten Einzelleitern und der Behälterwand, Diese Düsen 16 schließen einen Gaspufferraum 18 ab. Ein Isolierrohr 20 ist über eine Kühlmittelpumpe 22 und ein Kühlmittelrohr 24 mit einem Kühlmittel 26 verbunden, das sich in einem Behälter 28 befindet und beispielsweise helium sein kann. Ein Zuführungsrohr 30 verbindet den Gaspufferraum 18 mit einem Gasbehälter 32, der zur Aufnahme eines Mediums dient, das dem Kühlgas zugesetzt werden soll. Ein Abführungsrohr 34 Li zwischen dem Gaspufferraum 18 und einer Kühlfalle 36 angeordnet, die ein kryogencs Medium 38, beispielsweise Stickstoff, enthalten soll. Der untere Behälterteil der Kühlfalle 36 '.n dem sich das ausgefrorene Medium 46 sammelt, ist über eine Rohrleitung 48 sowie einen Kompressor 50 und eine Druckleitung 52 mit dem Gasbehälter 32 verbunden.

Die Kontaktstelle 4 zwischen den Lamellen 10 des Ffochspannungsleiters 12 und dem Supraleiter 2 befindet sich im siedenden Helium des Bades 6. Durch die Jouie'sche Wärme der stromdurchflossenen Lamellen 10 und die Wärmeeinströmung über den Anschluß

ίο 14 des Normalleiters 12 verdampft ein Teil des Heliums. Das kalte Gas steigt zwischen den Lamellen 10, die es kühlt, nach oben und gelangt durch die Düsen 16 in den Gaspufferraum 18. Auf seinem Weg zu den Düsen 16 hat das Kühlgas eine Temperatur von etwa 300 K angenommen. Aus dem Behälter 32 gelangt über die Leitung 30 ein elektronegatives, gasförmiges Medium \n den Gaspui'fcrraum 18 und vermischt sich dort mit dem Heliumgas. Durch die Düsen 16 wird verhindert, daß das /ugeseWO Medium in die tieferen, kälteren Zonen des Behälters 8 gelangen kann. In diesen Zonen könnte es nämlich ausgefroren und dadurch unwirksam werden.

Das Gemisch aus dem Kühlmedium und dem zugesetzten Medium strömt über das Austrittsrohr 34 zur Kühlfalle 36. die sich bereits auf ErdpotenKil befindet. Das Gasgemisch wird dort durch den !Rissigen Stickstoff 38 gekühlt und das zugesetzte Medium ausgefroren. Das dadurch gereinigle Helium wild über eine Rohrleitung 40 und eine Kältemaschine 42 sowie eine weitere Rohrleitung 44 dem Behälter 28 wieder zugeführt. Aus diesem Behälter 28 wird das flüssige Helium mittels einer Pumpe 22 durch Leitungen 20 und 24 in das Bad 6 gepumpt.

Die Durchschlagsfestigkeit des flüssigen Heliums liegt mit etwa 20 bis 30 kV mm wesentlich höher als die Durchschlagfestigkeit des verdampften Heliums. Das Nachfüllen des Heliums aus dem Behälter 28 in das Bad 6 bereitet deshalb keine Schwierigkeiten. Das aus dem Bad 6 verdampfte Helium steigt an den Leiterlamellen 10 nach oben. Durch die dabei aufgenommene Wärme erhöht sich seine Temperatur entsprechend. Durch das elektrische Feld wird das verdampfte Helium ionisiert. Die Ionisierungsspannung von Helium ist mit 24,58 V verhältnismäßig hoch.

Helium kann jedoch stufenweise ionisiert werden und die entstehenden metastabilen Zustände sind sehr langlebig. Hieraus resultiert eine entsprechende Verminderung der Durchschlagsspannung. Es bi'den sich nämlich positive Heliumionen und freie Elektronen, die im elektrischen Feld beschleunigt werden und selbst weitere Heliumatome ionisieren. Durch die Zumischung des zugesetzten Mediums im Gaspi'fferraum 18 werden nun diese freien Elektronen unter Bildung eines negativen Ions mit geringer Beweglichkeit an Moleküle des zugesetzten Mediums gebunden, Damit fallen diese Elektronen für die weitere Ionisierung des Heliums aus.

Zum Zusetzen sind solche Medien geeignet, die ungesättigte Schalen der Atomhülle besitzen. Ein Maß für die Neigung zur Anlagerung der Elektronen ist die Elektroncnaffinität, welche die Energie des anzulagernden Elektrons angibt.

In F i g. 2 ist die Durchschlagspannung L' in kV in Abhängigkeit vom Gehalt G an zugesetztem Medium

^s in Volumprozent im Diagramm veranschaulicht. Als Kühlmedium ist Helium gewählt und als zugesetzte Medien dienen Schwefelhexafluorid SF_(i und Sauerstoff O.,. Die Durchschlagsspannung von reinem He-

Hum soll beispielsweise bei der in F i g. 1 dargestellten Stromzuführung etwa 10kV_f// betragen. Werden nun beispielsweise verschiedene Mengen von Schwefelhexafluorid SF_n zugesetzt, so erhöht beispielsweise ein Zusatz von 3¹A: Volumprozent die Durchschlagsfestigkeit auf etwa 50 kV bei einer durchströmenden Menge kühlenden Heliums von etwa 300 l/h. Bei einem Gasdurchsatz von etwa 2500 l/h wird der genannte Wert von 50 kV sogar bereits bei einem Gehalt von etwa 3 Volumprozent Schwefelhexafluorid erreicht, wie aus der gestrichelten Kurve b zu entnehmen ist. Wird statt Schwefelhexafluorid beispielsweise Sauerstoff O₄, zugesetzt, so erhält man mit einem Gehalt des Heliums an Sauerstoff von beispielsweise 2 % eine Erhöhung der Durchschlagspannung auf etwa 2OkV. Mit einem Gehalt von 16% eine Erhöhung der Durchschlagspannung auf etwa 45 kV, wie aus der Kurve c zu entnehmen ist. Dies gilt für einen Heliumdurchsatz von etwa 300 l/h. Erhöht man den Heliumdurchsatz beispielsweise auf 2500 l/h, so wird die Durchschlagsspannung von 45 kV sogar bereits bei einem Gehalt an Sauerstoff O₂ von etwa 12% erreicht, wie aus der strichpunktierten Kurve d zu entnehmen ist.

Die Zumischung von Sauerstoff O₂ kann zweckmäßig sein im Falle einer geringen Belastung der Stromzuführung, weil sich dann die Gastemperatur im Gaspufferraum 18 in tiefere Bereiche verlagern kann. Dann ist Schwefelhexafluorid mit einem Schmelzpunkt von —50.7^ C unter Umstanden nicht mehr verwendbar, dagegen ist Sauerstoff O„ mit einem Siedepunkt von -163 C noch gut geeignet. Der zugesetzte Sauerstoff kann ebenfalls mil einer Strickstoffüllung der Kühlfalle 36 ausgefroren werden.

Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Stromzuführung nach der Erfindung erhält man

ίο dadurch, daß mehrere Kühlfallen verwendet werden, denen jeweils ein separater Kreislauf zugeordnet sein kann. Sind an Stelle der im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 dargestellten Kühlfalle 36 beispielsweise zwei Kühlfallen vorgesehen, so können diese wechselweise in Betrieb genommen werden. Die nicht in Betrieb befindliche Kühlfalle kann aufgewärmt werden und das Gas über einen Kompressor dem Vorratsbehälter wieder zugeführt werden. Es ist somit ein intermittierender Gaskreislauf für das zugesetzte Medium mög-

ao lieh.

Im Ausführungsbeispiel wurde eine Stromzuführung für einen Supraleiter beschrieben, die mit Helium geküh't ist. Es können jedoch auch Stromzuführungen für andere auf Tieftemperatur gekühlte Lei-

s5 ter, beispielsweise aus Aluminium oder Beryllium, erfindungsgemäß ausgestaltet sein, die mit anderen Kühlmitteln, beispielsweise Wasserstoff, gekühlt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stromzuführung für elektrische Einrichtungen mit auf Tieftemperaiur gekühlten Leitern, deren Ende an einem mit einem gasförmigen Kühlmedium gekühlten Normalleiter angeschlossen ist. dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlmedium ein elektronegatives Gas oder ein elektronegativer Dampf oder ein organisches Radikal oder dessen anorganisches Analogon zugesetzt ist.

2. Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmiges Fluor (F), Chlor (Cl). Brom (Br) oder Jod (J) oder eine gasförmige Verbindung, die wenigstens eines dieser Elemente enthalt, zugesetzt ist.

3. Stron; uführung na :h Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß Schwefelhexafluorid (SF₁.) zugesetzt ist.

4. Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff (O„) 7'igesetzt ist.

5. Stromzuführung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß Stickstoffdioxid (NC.,) zugesetzt ist.

(■>. Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß der auf Tieftemperatur gekühlte Leiter ein Supraleiter und das Kühlmedium Helium ist.

7. Stromzuführung nach einem uer Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß der Normalleiter zwischen einem Anschluß (->) eines Supraleiters (2) und einem Anschluß (14) einer Stromversorgung aus Einzelleitern (10) besteht, zwischen denen Düsen (16) so angeordnet sind, daß sie einen Gaspufferraum (18) für das zugesetzte Medium gegen eine Zone tieferer Temperatur abschließen.

S. Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß dem zugesetzten Gas ein separater Kreislauf zugeordnet ist.

9. Stromzuführung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausfrieren des zugesetzten Mediums jeder Kreislauf eine Kühlfalle enthält.