DE2241815A1

DE2241815A1 - Niedrige verluste aufweisender leiter fuer die wechsel- oder gleichstromuebertragung

Info

Publication number: DE2241815A1
Application number: DE2241815A
Authority: DE
Inventors: Meyer Garber; William Boyd Sampson
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1971-08-25
Filing date: 1972-08-25
Publication date: 1973-03-08
Also published as: US3720777A; CA981770A; GB1390045A; JPS4831092A; FR2151389A5

Description

ü. S. Atomic Energy Comission
Washington, D.C, U.S.A.

Niedrige Verluste aufweisender Leiter für die Wechsel- oder Gleichstromübertragung.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leiter bzw. eine Leitung mittels welchem elektrische Ströme zwischen zwei Orten übertragen werden können, und zwar unter Verwendung
superleitender Materialien.

Auf dem Gebiet der Superleiter besteht ein Bedürfnis nach
Ubertragungsleitungen für Wechselströme im Frequenzbereich bis zu 60 Hz und mehr. Mögliche Superleiter, die auf der
Basis ihrer relativ hohen kritischen Ströme I , relativ
hohen kritischen Felder H und/oder ihrer relativ hohen

kritischen Temperaturen T in Betracht gezogen wurden,sind Nb, Nb^₅Sn und NbTi. Diese und die anderen bekannten Superleiter sind jedoch schwierig und teuer herzustellen und/oder zu betreiben. Darüberhinaus bildeten hohe Pulsverluste ein Problem, und zwar insbesondere bei hohen Strömen und/oder
Feldern. Ein weiteres Problem bildeten Stomsprunginstabilitäten, wie die in der Märzausgabe 1967 von "Scientific
America" beschrieben ist; diese Stromsprünge sind dort als zeitweilige oder nicht vorraussagbare Normalwiderstansflä-

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chen von örtlicher Natur beschrieben, beispielsweise infolge des Vorhandenseins von magnetischen Feldern, Temperaturen und/oder Strömen, die allein oder in Kombination ergeben oder die das Oberschreiten des kritischen Stromes I an einer lokalisierten Superleiterfläche verursachten. Zudem können manchmal große Flächen des Superleiters "normal" werden, was eine gefährliche und plötzliche Freisetzung großer Mengen gespeicherter Energie bewirkt.

Die Erfindung bezweckt Superlelter für sich ändernde Ströme und/oder Wechselströme verwendbar zu machen, und auch eine übertragungsleitung für Wechselströme und gepulste Ströme vorzusehen, wobei die superleitende Vorrichtung kompakt und einfach herstellbar ist. Ferner soll der oben erwähnte Nachteil des "normal" Werdens vermieden werden. Ferner sollen minimale Streufelder und Wechselstromverluste erreicht werden.

Gemäß der Erfindung wird dies erreicht durch die Kombination matrixstabilisierter ineinandergreifender Bänder, die superleitend sind, mit Mitteln zur kyrogenen Kühlung dieser Bänder. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere auch aus den Unteransprüchen. Die Erfindung sieht insbesondere eine superleitende Leitung für gepulste Ströme oder Wechselströme bis 60 Hz und mehr vor, Insbesondere arbeitet die Leitung bei Temperaturen bis zu den kritischen Temperaturen des verwendeten Superleiters. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die superleitenden Bänder parallel und mit Abstand,ineinandergreifend angeordnet, um niedrige Leistungsverluste aufzuweisen. Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung sind die Bandkanten so geformt, daß eine maximale Zwischenbandspannung möglich ist. Es ist ferner vorteilhaft verbesserte Verbindungen für und niedrige Vibrationen in der Leitung vorzusehen. Die richtige Auswahl und Anordnung der Elemente ist im folgenden beschrieben.

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Im folgenden seien ferner einige der Vorteile der Erfindung zusammengefasst. Verluste werden niedrig gehalten; Fabrikations- und Verblndungsprobleme werden gelöst; induktive Verluste und nachteilige Wirkungen von Magnetfeldern an den Oberflächen der Superleiter werden vermieden; Beschränkungen hinsichtlich des kritischen Stromes und der Stomsprunginstabilitäten üblicher Superleiter werden überwunden; die bei herkömmlichen Superleitern auftretenden Probleme mit gepulsten und veränderlichen Strömen, der gespeicherten Energie und ihrer Freisetzung, der Kühlung, der Frequenzbeschränkung, der Vibration (einschl. anderer Betriebsprobleme), der Leistungsabgabebeschränkung und den Stabilisierungsmitteln werden gelöst. Die Erfindung sieht insbesondere geflochtene Superleiter vor und formt die Bänder. Bisher auftretende Isolationsschwierigkeiten sind beseitigt und dreiphasige Übertragung ist möglich.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine dreidimensionale Teilansicht eines Ausführungsbeispiels;
Fig. 2 eine graph. Darstellung des Wechselstromverlustes von Ausführungsbeispiel eins mit parallelen strei-•fenförmigen Superleitern;

Fig. 3 eine graph. Darstellung der Wechselstromverluste des ersten Ausführungsbeispiels mit geflochtenem superleitendem Band;

Fig. 4 eine dreidimensionale Teilansicht eines weiteren Äusführung-sbeispiels der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung;

Fig. 5 eine teilweise dreidimensionale Ansicht wiederum eines v/eiteren Ausführungsbeispiels der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.

Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft bei der Übertragung von Wechselströmen und kann daher auf dem

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-4-Gebiet der Ubertragungsleitungen angewandt werden. Wie man aus dem folgenden im einzelnen jedoch erkennen wird, hat die Erfindung viele Anwendungsmöglichkeiten, wo Wechselströme oder gepulste Ströme erforderlich sind. So ist die Erfindung bei-spielsweise auf dem Gebiet der Beschleuniger anwendbar, wo gepulste Ströme zur Erzeugung gepulster Magnetfelder erforderlich sind, um geladene Teilchen abzulenken und/oder zu fokussieren. Diese Beschleuniger sind in U.S. Patent 3,638,154 beschrieben und verwenden zur Beeinflussung der Teilchen gleichförmig oben abgeflachte oder xJeränderl. Magnetfelder. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zu Übertragung von Gleichströmen benutzt werden. In diesem Zusammenhang arbeitet die Vorrichtung besonders vorteilhaft, wenn Änderungen des Gleichstromlastpegels auftreten. Bei Anwendung der Erfindung in einer Übertragungsleitung für Wechselströme können kyrogen gekühlte superleitende Bänder zum leiten gepulster Ströme verwendet werden, wie dies in U.S. Patent 3,638,154 beschrieben ist. Dabei sind die superleitenden Bänder mit einer Normalwiderstansmatrix (einer Grundmasse mit normalem Widerstand) überzogen um die Stabilisierung der Superleiter zu erhöhen, beispielsweise durch Reduzierung der Wirkungen der Stromsprünge. Vorteilhafterweise besitzen diese Bänder matrixstabilisierte geflochtene superleitende Fäden, wobei sie jedoch gemäß dieser Erfindung abwechseld einen im wesentlichen streifenförmigen rechteckigen Querschnitt besitzen, der durch ein kyrogenes Kühlmittel gekühlt wird.

Geignete Matrix- oder Grundmassematerialien sind Kupfer oder Silber, obschon andere Materialien mit einem Widerstand größer als der Superleiter und/oder solche, die eine Wärmefalle bilden verwendet werden können. Derartige andere Matrixmaterialien sind Blei, Kadmium? Indium, Aluminium, Thallium, Zinn-, Ti, Nb, V, Hf, Mg, Fe, Ni, Bi, Co, Zr, Be und Legierungen dieser Materialien, sowie andere Legierungen, wie rostfreier Stahl und Nichrome. Schlußmittel, welche Metallglieder aufweisen die mit den geflochtenen Bändern ineinandergreifen, können vorgesehen sein. Auch können Verstärkungsmittel, Metallglieder und/oder thermisch aushärtbare in den geflochtenen Bändern impreqnierte Kunststoffe

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verwendet werden.

Die beschriebenen ,superleitenden Bänder und auch eine. dafür geeignete kyrogene Kühlvorrichtung kann der US Patentschrift 3,638,154 entnommen werden. Derartige superleitende 'Bänder und kyrogene Kühlmittel werden in der hier vorliegenden Erfindung verwendet. Die gemäß dieser Erfindung verwendeten rechteckigen Querschnitt aufweisenden, streifenförmigen matrixstabilisxerten superleitenden Bänder sind in den US Patenten 3,432,783-und 3,423,7o6 beschrieben.

Wenn mehrere der oben beschriebenen kyrogen gekühlten matrixstabilisxerten superleitenden Bänder parallel und ineinandergreifend zur Bildung von Hin- und Rückleitern (wie im einzelnen im folgenden beschrieben" wird) geschaltet -werden, so werden an den Leiteroberfachen minimale Magnetfelder erzeugt. Derartige parallele ineinandergreifende Hin- und Rückleiter ergeben eine niedrige Induktivität, geringe gespeicherte magnetische Energie, sehr geringe Streuoder Interferenzfelder, kompakte Abmessungen und eine einfache Herstellung. Derartige parallel ineinandergreifende Leiterbänder können zur übertragung von Wechselströmen verwendet werden, wie z. B. in kyrogenen Erdkabeln zur Wechselstromleistungsübertragung im Bereich bis zu 5ooo MWatt und mehr.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt; die superleitende Übertragungsleitung 11 leitet Wechselstrom bei 6oHz. In einem Beispiel hatte eine o,5m lange simulierte Leitung mit 5o hinleitenden Nb₃Sn superleitenden Bändern 15 und 5o rückleitenden Bändern 17 und

2 einer Querschnittsfläche 13 von annähernd 3cm, einen Leistungsverlust von o,15 Watt bei einem I0000A Strom. Bei geeigneter Bemessung hat die erfindungsgemäße Leitung 11 einen Verlust von 3 Watt/m für I0000A mit einer Querschnittsfläche

13 von 3ocm . Um die Leitung 11 herum sind geeignete kyrogene Kühlmittel vorgesehen.

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Im Betrieb weist die Leitung 11 eine einen Behälter 23 bildende Vorrichtung 21 mit einem darin umlaufenden kyrogenen Kühlmittel 24 auf, welches beispielsweise voneiner Quelle 25 für flüssiges Helium kommt und von einem Einlaß 27 des Behälters längs der Leitung 11 zwischen dieser und einem kyrogenen Isolator 3o zu einem Auslaß 29 strömt. Im Behälter 23 bilden die parallelen Bänder 15 und 17 vorteilhafterweise mehrere Schichten 31 in einer ineinandergreifenden zusammengesetzten Struktur 33 mit einer rechteckigen streifenförmigen Querschnittsfläche 34 und zwischen den Schichten 31 sandwichartig angeordneten Isoliermitteln 35. Diese Isoliermittel sind vorteilhafterweise organische elektrische Isolatoren, wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen, Polykarbonat, Füllstoffe mit Polyolefin oder Polyäthylenteraphtalat; es können jedoch auch andere Isolatoren, wie beispielsweise keramische Isolatoren als Isolationsmittel 35 verwendet werden.

Die im Querschnitt rechteckigen streifenförmigen matrixstabilisierten Bänder 15 und 17 besitzen vorteilhafterweise glatt gekrümmte abgerundete Kanten 36 und sie sind elektrisch durch Ineinandergreifvorrichtungen 37 verbunden, um zwei diskrete elektrisch leitende parallel entgegengesetzte Pfade 39 und 41 zu bilden. Zu diesem Zweck ist beispielsweise jedes der Bänder 15 parallel mit den anderen gleichartigen Bändern gekoppelt, um einen ersten Pfad 39 zu bilden, der vom anderen Pfad 41 getrennt und verschieden ist, in dem die benachbarten Bänder 17 parallel gekoppelt sind, um so die Induktanz zwischen den parallelen entgegengestzten Pfaden 39 und 41 zu minimieren. Ferner weist die Vorrichtung 37 Verbindungen 43 zwischen Innen- und Außenseite des Behälters 23 auf, um die ersten und zweiten Pfade 39 und 41 am einen Ende 47 der Leitung 11 mit einer Leistungsquelle/und am anderen Ende 51 der Leitung 11 mit einer Last 49 zu verbinden. Somit wird eine Wechselstromquelle 45 einen ersten Strom hervorrufen, der in Serie in einer ersten Richtung in Verbindung 43 fließt, die ein Kabel 53 und einen ersten Schuh 55 aufweist, und sodann durch parallel geschaltete Hinleiter 57, 59, 61 bildende Bänder 15,einen zweiten Schuh 55" und ein Kabel 53' zu der Last 49 strömt; ein zweiter parallel

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und entgegengesetzter Strom von entgegengesetzter Polarität fließt durch ähnliche Mittel parallel in den Bändern 17. Dieser Strom fließt in Serie von rder Last 49 durch ■.·.:, Kabel 71, Schuh 73, parallel geschaltete Rückleiter 75, 77 und 79, Schuh 81 und Kabel 83 zur Quelle 45. Die parallel geschalteten Leiter 75, 77 und 79 bilden somit den Pfad 41 paralleler Bänder 17, um so die Felder von den parallelgeschalteten Leitern 57, 59 und 61 auszugleichen, welche den Pfad 39 paralleler Bänder 15 bilden. Es fließen daher gleiche und entgegengesetzte Ströme in den beiden Pfaden 39 und 41. Anders ausgedrückt, die Ströme in den Pfaden 39 und 41 steigen und fallen gemeinsam und erzeugen entsprechende gleiche^und entgegengesetzte Felder, die bestrebt sind einander auszulöschen; auf diese Weise wird minimale Induktion zwischen den beiden Pfaden 39 und 41, sowie zwischen den benachbarten Bändern und deren Leitern erzeugt.

Es wurden fünf Arten von Bändern 15 und 17 geprüft. Drei waren im Handel verfügbare streifenförmige Nb-Sn Bänder von 1,27 cm Breite, die im Hinblick auf den Hersteller bzw. ihr kritisches Gleichstromfeld H in einem Querfeld von 1ookG als RCA 6oo, RCA 9oo und GE 6oo bezeichnet sind. Die RCA Bänder bestehen aus einem Hasteloy-Substrat oder Träger, welches von einer aufgedampften Nb^Sn-Schicht umgeben ist, die einen elekt·roplatierten Ag-Belag besitzt, der die abgerundeten Kanten 36 bildet, die allerdings auch durch Walzen hergestellt werden können. Die nominelle Stärke der Nb~Sn-Schicht war 6,4 Mikron für das RCA 6oo Band und 9,5 Mikron für das RCA 9oo Band. Das GE (General Electric) Band war durch Diffusion von 2inn in ein Nb-Substrat. hergestellt, um eine Reaktions-Zwischenschicht (Interface) zu erhalten, die nominell 6,4 Mikron stark war. Das ganze Band bestand aus zwei solchen Substraten die verlötet und mit Kupfer als Matrixstabilisator überzogen waren. Alle drei Nb.,Sn-Bänder hatten eine Gesamtdicke von ungefähr o,o12 cm. Die Bänder der Fig. 1 waren vorzugsvzeise streifenförmig mit glatt abgerundeten Kanten 36, um die Konzentration von Spannungsgradienten an den Kanten 36 zu vermeiden. Alternativ können jedoch auch-geflochtene Superleiter verwendet werden. Die beiden letzten,

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als Bänder "A" und "B" bezeichneten Proben, waren aus gedrehtem vielfädigem NbTi-Draht geflochten, wie dies in US-Patent3,638,154 beschrieben ist.

Im Band "A" hatte der von Airco gelieferte Draht eine o,o2o cm Durchmesser Kupfermatrix oder Grundmasse, die 121 NbTi Kerne von jeweils 9,1 Mikron Durchmesser enthielt. Vor dem Flechten war dieser Draht axial mit 1,2 Drehungen pro cm gedreht worden. Band "B" bestand aus Supercon-brand Draht, der 4oo Kerne von jeweils 7,1 Mikron Durchmesser enthielt, und zwar gedreht mit 5/cm. Jedes Geflecht (im folgenden auch Zopf genannt) war 1,7 cm breit und enthielt 132 Drähte , die nach jeweils 15 cm ihre Lage änderten.

Das Volumen superleitenden Materials pro Meter Band in den

obigen Proben war o,161, o,242, o,323, 1,o5 und 2,1ο cm für RCA 6oo, bzw. RCA 9oo, bzw. GE 6oo, Zopf "A" bzw. Zopf ¹¹B" .

Die Verluste wurden durch Messung des verdampften kyrogenen Strömungsmittels bestimmt.Ein derartiges System wurde von G. H. Morgan et al. in J. Appl. Phys. _4o, 1821 (1969) beschrieben. Die Streuung der Daten in einem gegebenen Durchlauf lagen in der Größenordnung von 1omW, waren aber möglicherweise zweimal so hoch bei mehreren wiederholten Durchläufen. Messungen wurden bis zu einem Maximalstrom von 1ooo A _ff durchgeführt. Frequenzen zwischen 2o und 6o Hz wurden mit einem üblichen Motorfrequenzwandler 45 erreicht. Der Gehalt an Harmonischen war in der Größenordnung von 5%. Bei Verwendung des 6o Hz Netzes als Quelle 45 wurden die gleichen Resultate wie mit dem Frequenzwandler erreicht.

Die Versuche mit den oben beschriebenen Bändern wurden unter Verwendung bifilarer auf Phenolkörper von 15 cm Durchmesser gewickelter Spulen ausgeführt. Die Spulenwicklungen waren voneinander isoliert, und zwar entweder durch PoIyathylenteraphtalatharzband oder durch Glasfaserband. Die Gesamtwicklungsdicke lag zwischen 1,5 und 2,5 cm, was von der Anzahl der Wicklungen (zwischen 4o und 1oo) und der Isolationsdicke (zwischen o_fo12 und o,o51 cm) abhing. Die zu-

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sammengebaute Wicklung war eng mit dem Phenolkörper verschnürt .

Das Magnetfeld in dem eine gegebene Windung der beschriebenen Bänder 15 und 17 umgebenden Raum ist sehr nahe dem des isolierten Bandes solange die Windungszahl in der Grössenordnung von 4o oder größer -.list. Für die 1,27 cm breiten Bänder 15 und/oder 17 beträgt der Spitzenwert dieses Feldes für einen gleichförmig verteilten Sinusstrom von Quelle 45

annähernd H =0,7 I _,., wobei H in Oersted und I ^₄= in Amm eff. m eff.

pere gemessen ist. Die beobachteten Induktivitäten der 4o Windungen aufweisenden Spulen mit o,o51, o,o25 und o,o12 dicken Isolationen 35 betrugen o,41.bzw. o,26 bzw. o,i7 jiH. Andererseits besitzt Leitung 11 gemäß der Erfindung gepaarte, ineinandergreifende bandförmige Leiter 15 und 17, die parallel ineinandergreifende Wechselstrompfade 39 und 41 bilden und parallel und entgegengesetzt geschaltet sind. Die Lei-

tungsinduktivität ist in diesem besonderen Falle (2o) =4oo mal kleiner für dieselbe Anzahl von Bändern mit der gleichen ' Länge wie in den obigen Versuchen.

Eine Serie von Durchläufen ergab; daß die Verluste proportional zur Länge der Bänder 15 und 17 sind, und zwar unabhängig von der Dicke der Isolation/in dem verwendeten Dicken- und Längenbereich. Die Ergebnisse wurden quantitativ aufgetragen (Leistungsverlust/Einheitsfläche), wobei als Fläche die Bandoberfläche, d. h. 2 χ die Breite χ die Länge genommen wurde. Diese Quantität steht in keiner Beziehung zum Superleiterelement. Im Falle des Zopfes steht sie in keiner Beziehung zur Superleiteroberfläche.

In Fig. 2 sind die Verluste für das Nb-Sn superleitende Band von streifenförmiger Gestalt in Proben der Leitung ". Ί. 11 bei 6o Hz dargestellt. Die Meßpunkte bei 2o Hz, auf . die Bezug genommen wird, sind aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt. Für die RCA Bänder waren die Verluste für alle verv/endeten Ströme proportional der Frequenz und änderten sich langsamer als I . Bei 1ooA bzw. 15oA fielen für die RCA 6oo bzw. RCA 9oo Bänder die Verluste sehr schnell unter

2 einen meßbaren Wert, d. h. unter ungefähr 1jaW/cm . Eine

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Probe des RCA 600 Materials wurde nach Entfernung des Silberüberzugs verwendet, und hatte bis ungefähr I80 A, wo die Spule in den Normalzustand überging, einen nicht feststellbaren Leistungsverbrauch. Da dieser Strom in der Zone liegt, wo die Verluste für das überzogene Band zuerst feststellbar wurden, deutet dies -so wurde theoretisiert- eine Diskontinuität im Verlustmechanismus an.

Die Verluste im GE Band waren oberhalb 3oo A proportional zur Frequenz und halb so groß wie die des RCA 600 Bandes. Dies wurde theoretisch so erklärt, daß dies eine inverse Korrelation zwischen Verlusten und der Menge von Nb₃Sn zeigt. Bei niedrigeren Strömen hatte das GE Material verhältnismäßig große Verluste, die sich mit dem Strom quadratisch änderten und bei 2o Hz etwa 5 mal kleiner waren als bei 6oHz. Auf Grund von Berechnungen und der Tatsache, daß sich diese Verluste oberhalb 3oo A nicht fortsetzten, wurden Wirbelströme als Ursache ausgeschlossen. Ferner wurde theoretisch angenommen, daß diese Verluste mit den großen Mengen von nichtreagiertem Nb in dem für diese speziellen Versuche verwendeten Material zusammenhängen.

Ferner wurde festgestellt, daß bei hohen Strömen mechanische Vibrationen oder Schwingungen eine große Rolle spielen. Das überziehen der Bänder 15 und 17 in Leitung 11 mit Fett 91 vermindert die Verluste um 15% bei I000 A. Somit bewirken die erfindungsgemäßen mit Fett überzogenen Bänder die Verringerung der Wechselstromverluste in Leitung 11 infolge der darin fließenden veränderlichen Stöxne, und zwar entsprechend der Verminderung der Vibration in der Leitung.

Fig. 3 zeigt die Meßwerte für geflochtene, mehrfädige und kyrogen gekühlte matrixstabilisierte Bänder 15 und 17, wie sie beispielsweise in US-Patent 3,638,154 beschrieben sind, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung die verwendeten Bänder 15 und 17 ineinandergreifend wie in Leitung 11 angeordnet sind. Die Fläche, duroh welche die Verluste geteilt wurden, entspricht der oben beschriebenen Fläche. Die tatsächliche o,o2o cm Drahtoberfläche war jedoch ungefähr 3 mal die

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glatte Bandoberfläche.

Die Verluste für Band "A" waren verhältnismäßig hoch und änderten sich mit I sowohl bei 60 Hz als auch bei 2o Hs. Die wiederum aus Gründen der Klarheit nicht dargestellten 2o Hz Verluste waren 5 mal kleiner als die bei 60 Hz. Durch eine Gleichstrommessung wurde festgestellt, daß ein wesentlicher Teil des 60 Hz Verlustes auf dem Kontaktwiderstand zwischen dem Zopf und dem Nb^Sn Bandzuleiter beruht. Dieser Kontaktwiderstand wird daher vorteilhafterweise eliminiert; gemäß der Erfindung werden Zuleiter vorgesehen, die widerstandsfreie Fortsetzungen der Bänder 15 bzw. 17 sind. Zu diesem Zweck besitzen die Schuhe 55, 55", 73 und 81 eine vielfache U-förmige Gestalt und weisen ein superleitendes Metall auf, welches sorgfältig mit gleichmäßigem Kontakt mit den vielfädigen Superleitern oder den abgerundeten Kanten 36 der Bänder 15 bzw. 17 und mit den Zuführungskabeln .53,53',71 und 83 hartverlötet ist.

Für Band "B" änderten sich die Verluste oberhalb I - 3oo A mit I und waren proportional zur Frequenz. Bei niedrigeren

Strömen änderten sich die Verluste annähernd mit I und waren unabhängig von der Frequenz, wobei die Verluste infolge

-7 eines unechten Kontaktwiderstandes von 2x1ο Ohm auftraten. Dies wird jedoch durch Verwendung von Bändern 15 und 17 mit geformten abgerundeten Kanten 36 durch Flechten zur Beseitigung von freiliegenden Stellen und durch widerstandsfreie superleitende Verbindungen vermieden. Sämtliche Nb^Sn Bänder und Zopf "B" hatten kritische Wechselströme oberhalb 1öoo A. Zopf "A" ging bei 5oo A in seinen Normalwiderstandszustand über.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der gemäß der Erfindung ausgebildeten übertragungsleitung 11 werden vorteil-^ hafterweise niedrige Spannungen für hohe Ströme verwendet. Auf der Grundlage der Ergebnisse von Fig·. 2 und 3 führt Leitung 11 1o5ooo A hin und zurück in den Pfaden 39 und 41, wobei (bei 4,2K) ein Verlust von o,39 W/m auftritt. Für eine

2
Querschnittsfläche 13 von 37o cm betx^ägt die Induktivität

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dieser Leitung 2x1o~¹° H/m (1o~⁴ Ohm/Meile bei 60 Hz). Da die Kapazität ungefähr ο,27 uF/m beträgt, ist der Ladestrom in diesem Beispiel für eine bei 1okV und 60 Hz betriebene Leitung 11 98o A/km. Die Leitung 11 des Ausfürungsbeispiels der Fig. 1 macht somit die mit der Quelle 45 verbundenen parallelen, geformte Kanten aufweisenden, isolierten matrixstabilisierten Bänder ineinandergreifend, um so durch das Ineinandergreifen eine Verminderung der an der Oberfläche der Bänder erzeugten Magnetfelder zu bewirken.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, bei welcher die Isolation 35 ein kyrogenes Kühlstromungsmittei, wie beispielsweise flüssiges Helium ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel tritt das Kühlstromungsmittei am Ende 47 der Leitung 11 durch ein Rohr Ιο! in den Isolator 1o3 ein und zirkuliert serpentinenartig an den Flächen 1o5 der parallelen Bänder 15 und 17 vorbei, die gleiche Durchlässe 39 und 41 bilden; die Strömung erfolgt von Seite 1o7 zu Seite 1o9 der Leitung 11 und längs der Leitung 11 zum Ende 51 zurück zu einer Kühlquelle 111. In diesem Ausführungsbeispiel werden durch bis zu 1o Meilen voneinander entfernt liegende Kühlvorrichtungen Kühlabschnitte 113 der Leitung 11 gebildet. Ein Isolator 115 mit Abdeckungen 117 und 119 längs der oben beschriebenen kleinen Schuhe 55 und 81 usw. enthält die Kühlmittelisolierung 35 innerhalb der Leitung 11, während ein evakuierter isolierter Kasten 121 eine große Wärmeströmung von der Umgebung 123 in die Leitung verhindert. Die Leitung 11 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4 sieht somit mit der Quelle 45 verbundene ineinandergreifende (abwechselnd angeordnete) mit parallelem Abstand angeordnete kantengeformte isolierte matrixstabilisierte Bänder vor, um die Verminderung der an den Oberflächen der Bänder erzeugten Magnetfelder durch das erfindungsgemäße Ineinandergreifen zu bewirken.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, wo die Quelle 45 einen sinusförmigen Dreiphasenwechselstrom in den parallelen Bändern 15 und/oder 17 erzeugt, die so angeordnet sind, daß in Leitung 11 parallele Strompfade A, B und C gebildet werden; die Summe der Strö-

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-13-me in A+B+C=Null. Dies liefert einen Gleichgewxchtszustand in Leitung 11 und in den Pfaden A, B und C, die eine dreiphasig ausgeglichene Last 49 auch dann haben, wenn ein Ausfall auftritt, mit der Ausnahme eines Erdfehlers, z. B.eines Nullsequenzstromes. Die Leitung 11 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 sieht somit ineinandergreifende parallel mit Abstand angeordnete, kantengeformte, isolierte matrixstabilisierte Bänder vor, um die veränderlichen Ströme der Quelle 45 zu leiten, und um entsprechend dem Ineinandergreifen die an den Oberflächen der Bänder erzeugten Magnetfelder zu vermindern.

Die Isolation 35 in Fig. 5 ist kyrogenes flüssiges He; es kann aber auch das flüssige He der Fig. 4 oder alternativ der feste Isolator 35 der Fig. 1 verwendet werden; in diesen Fällen werden die in den Figuren 1 und 4 verwendeten Vorrichtungen mit der ineinandergreifenden Vorrichtung gemäß Fig. verwendet.

Die obigen drei Ausführungsbeispiele wurden bei niedrigen Temperaturen gerade unterhalb der kritischen Temperatur des Superleiters der Bänder 15 und.17 betrieben; alternativ können die Bänder 15 und 17 zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades bei superkritischen Heliumtemperaturen betrieben werden. Somit ist die erfindungsgemäße nicht induktive Leitung 11 ideal für die Übertragung hoher Leistung von gepulsten, Gleich- und auch Wechselströmen geeignet.

Die Erfindung hat den Vorteil eine kompakte, leicht herstellbare, nicht induktive, niedrige Verluste aufweisende superleitende übertragungsleitung zu schaffen, und zwar für parallele, ineinandergreifende (verschachtelte) im Gleichgewicht befindliche Wechsfeiströme, gepulste Ströme und/oder" Gleichströme. Die parallele ineinandergreifende Anordnung der mit Abstand angeordneten Bänder gemäß dieser Erfindung ergibt minimale Streufelder. Anders ausgedrückt, verschachtelt (ordnet ineinandergreifend an) parallel isolierte mit Abstand angeordnete matrixstabilisierte superleitende Bänder, indem darin parallel im Gleichgewicht befindliche Ströme geleitet werden, um so die Verminderung der Magnetfelder

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an den Oberflächen der Bänder entprechend dem Ineinandergreifen der Bänder zu vermindern. Zudem sind Mittel vorgesehen, um Vibrationen, Wirbelströme und Leitverluste zu vermindern, und um die maximale Zwischenbänderspannung in der superleitenden übertragungsleitung zuzulassen.

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Claims

Patentansprüche

Übertragungsleitung zur Leitung elektrischer Ströme sehen zwei durch diese Leitung verbundener Orte mittels einer. Vielzähl von magnetische Felder erzeugenden Leiter, gekennzeichnet durch die folgenden an sich bekannten"Elemente in Kombination:

matrixstabilisierte superleitende Bänder, die ineinandergreifen, um Ströme zwischen den Orten parallel und entgegengesetzt zu leiten, um so die Verminderung der Magnetfelder an den Oberflächen der entsprechenden Bänder entsprechend dem Ineinandergreifen zu bewirken,

Mittel zur kyrogenen Kühlung der Bänder auf niedrige Temperaturen.

2. Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Bänder parallel und mit Abstand angeordnet sind und glatt gekrümmte abgerundete Kanten (36) aufweisen, und daß Mittel das superleitende Material auf einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur halten.

3. Leitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder streifenförmige im wesentliehen rechteckige Querschnitte mit abgerundeten Kanten haben.

¹K Leitung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch vielfädige Superleiter, die zur Bildung der genannten Bänder geflochten sind.

5. Leitung nach Anspruch H₃ gekennzeichnet durch eine Drei- . phasenstromquelle.

6. Leitung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, welche das superleitende Material auf einer Temperatur unterhalb der kritischen halten, eine elektrischen Isolator zwischen den Bändern bilden.

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- ar-

71 .Leitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Gekennzeichnet, daß ein fester (solider) vibrationsgedämpfter Isolator sandv/ichartig zwischen den parallel mit Abstand angeordneten Bändern vorgesehen ist.

8. Verfahren zur Verminderung der Verluste von stark veränderlichen Strömen in einer superleitenden übertragungsleitung, die durch solide Isolatoren gebildet wird, die sandwichartig zwischen parallelen superleitenden Bändern vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder mit Fett überzogen werden, um die Verluste entsprechend der Verringerung der Vibrationen in den Bändern infolge der erwähnten veränderlichen Ströme zu vermindern.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die superleitenden Bänder auf superkritischen Temperaturen des flüssigen Heliums gehalten v/erden.

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