DE2249801B2 - EndverschluB für elektrische Supraleiterkabelanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Endverschluß für elektrische Supraleiterkabelanlagen, bei dem der Bereich des Temperaturaufbaus vom Supraleiter zum Normalleiter in Richtung der Endverschluß-Längsachse von dem Bereich des elektrischen Feldabbaus getrennt ist.

Im Zuge der technischen Entwicklung gewinnt die Anwendung von praktisch widerstandslosen Leitern, sogenannten Supraleitern, in elektrischen Kabeln insbesondere zur Energieübertragung an Bedeutung. Der Effekt der Widerstandslosigkeit oder anders ausgedrückt der Supraleitung tritt bekanntlich bei gleichzeitiger Anwendung von zwei Maßnahmen ein, nämlich erstens der Verwendung von bestimmten Legierungen z. B, auf Niobiumbasis und zweitens der Kühlung der elektrischen Leiter auf extrem niedrige Temperaturen in der Nähe des absoluten Temperatur-Nullpunktes, insbesondere unter die sogenannten Sprungtemperaturen von 20° bis Γ K. Mittels Wasserstoff und Helium lassen sich bekanntlich die Temperaturbereiche von 20° bis 14° bzw. von 4,2° bis Γ Κ erreichen.

Die Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, Kabelarmaturen für den Übergang von in den Zustand der Supraleitung gebrachten elektrischen Leitern zu konventionellen widerstandsbehafteten elektrischen

Leitern zu schaffen. Diese Aufgabe liegt insbesondere bei Endverschlüssen für Supraleiterabschnitte in Kabelanlagen vor, in denen der Übergang von den unterhalb ihrer Sprungtemperatur gehaltenen Supraleitern auf Anschlußleiter aus normal leitendem Werkstoff, vorzugsweise Kupfer, die sich auf Raumtemperatur befindet, bewirkt wird.

Die bisher bekannten, mit Hilfe von :-ehr kalten Medien durchgedführten Anwendungen von tiefen Temperaturen bei der Herstellung von Endverschlüssen für elektrische Energieübertragungskabel dienen zur Lösung anderer Aufgaben. So ist aus DE-PS 5 80 084 ein Endverschluß für gas- oder ölgefüllte Hochspannungskabel bekannt, bei dem Metallteile mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten nach Abkühlung mit flüssiger Kohlensäure oder einer anderen sehr kalten Flüssigkeit, gegebenenfalls unter Anwendung eines Zwischenstücks, derartig zusammengebaut sind, daß der Endverschluß bei der tiefesten im Betrieb auftretenden Temperatur (z. B. etwa —30⁰C) gut abgedichtet ist und sich die Metallteile bei Erwärmung des Endverschlusses infolge ihrer verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten gegeneinanderpressen; eine keilförmige Ausbildung der zu verbindenden Teile kann dabei zur Erhöhung der Festigkeit der Verbindung dienen. Ferner ist aus DE-PS 6 44 913 ein Verfahren zur Herstellung von Endverschlüssen für elektrische Hochspannungsgummikabel bekannt, bei dem die zu bearbeitenden Kabelteile durch Anwendung flüssiger Luft so tiefen Temperaturen ausgesetzt werden, daß sie ihre elastischen Eigenschaften zwecks besserer Bearbeitung zeitweilig verlieren.

Die bekannten Endverschlüsse für Starkstromkabel sind in der Regel so aufgebaut, daß der einzelne Kabelleiter unmittelbar mit dem einen etwa gleich großen Querschnitt aufweisenden, aus dem Außenisolator des Endverschlusses herausführenden Bolzen durch Verschraubung, Verschweißung oder dgl. verbunden ist. Es sind aber auch Endverschlüssc für Starkstromkabel bekannt, bei denen zwischen dem X.abelleiterende und dem Ausführungsbolzen ein nachgiebiges Verbindungsstück angeordnet ist, das zum Auffangen der erheblichen Kräfte infolge von im Betrieb auftretenden Wärmedehnungen der einzelnen Teile dient, die Isolatorbrüche, Verbiegen der Leiteranschlüsse und andere schwere Schäden hervorrufen können. Solche nachgiebigen Verbindungsstücke können aus Metallbändern oder Litzen oder gemäß DE-PS 8 70 289 aus mehreren übereinander geschichteten Metallblechstreifen bestehen, die z. B. die Form eines aufgeschnittenen Ringes oder einer Spirale haben. Es ist bei den bekannten Endverschlüssen üblich, die Isolierung des Kabelleitcrs durch den EndverschluB beizubehalten und erst kurz vor der festen oder nachgiebigen Verbindung mit dem Ausführungsbolzen abzusetzen und bei höheren Betriebsspannungen im Innenraum des Endverschlusses durch in verschiedenen Ausführungsformen bekannte Potentialsteuerglieder zu ergänzen.

Man kann das Grundprinzip der als Stand der Technik bekannten Aufbauarten von Starkstromkabelendverschlüssen als die möglichst zusammengedrängte Bauweise bezeichnen. Dieses bekannte auch bei anderen Kabelarmaturcn angewendete Grundprinzip wird sowohl in der Längsausdehnung als auch in der Querausdehnung zu erreichten angestrebt, unabhängig davon, ob es sich um Einleiter- oder Mehrleiterendverschlüsse und ferner um der jeweiligen Kabelisolierung angepaßte reiche oder arme Füllungen der Endverschlüsse mit Masse, Öl oder Gas bzw. Luft handelt.

Die Erfindung macht sich demgegenüber ein anderes Prinzip zu Nutze, welches darin besteht, daß der Bereich des Teinperaturaufbaus vom Supraleiter zum Normalleiter in Richtung der Endverschluß-Längsachse von dem Bereich des elektrischen Feldabbaus getrennt ist

Dieses Prinzip ist z. B. in einem Kabelendverschluß für supraleitende Kabel nach der DE-OS 21 12 406 verwirklicht, wo zwischen dem Temperaturaufbaubereich und dem Feldabbaubereich eine Abschlußplatte vorgesehen ist, an der das auf Normaltemperatur befindliche Isolatorgehäuse befestigt ist. Der Nachteil dieser Anordnung besteht im wesentlichen darin, daß der Normalleiterbolzeri weit in den Temperaturaufbaubereich hineinführt Wegen der großen Wärmekapazität und der guten Wärmeleitung sowie des großen Raumbedarfs des Normalleiterbolzens führt diese Anordnung zu einer erheblichen Beeinträchtigung des Wärmeaufbaus-

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Endverschluß für elektrische Sunraleiterkabelanlagen der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem jede Störung des Wärmeaufbaus vom normal leitenden Spannungsabbaubereich her nach Möglichkeit vermieden ist Gelöst wird diese Aufgabe bei dem Endverschluß für elektrische Supraleiterkabelanlaqen, bei dem der Bereich des Temperaturaufbaus vom Supraleiter zum Normalleiter in Richtung der Endverschluß-Längsachse von dem Bereich des elektrischen Feldabbaus getrennt ist, erfindungsgemäß dadurch, daß der Normalleiter an der Grenze zwischen beiden Bereichen endet

Zweckmäßigerweise ist der ein Wärmeaustauschsystem enthaltende Temperaturaufbaubereich außerhalb von dem den Normalleiter umschließenden Außenisolator des Endverschlusses, vorzugsweise unterhalb von ihm angeordnet

Ein wichtiger die Erfindung ergänzender Gedanke, der auch allgemeine Bedeutung für den Endverschlußaufbau für Supraleiterkabelanlagen hat, besteht darin, daß im Endverschlußbercich ganz oder teilweise auf eine feste oder von Helium durchtränkte Isolierung verzichtet werden kann und Isolierhohlräume allein durch Helium (als vorzugsweise verwendetes Kältemittel in solchen Anlagen) isoliert sind.

Ein Ai/sführungsgedanke der Erfndung besteht darin, daß eine den Normalleiter innerhalb des Außenisolators umschließende rohrförmige durchschlagsfeste Isolierung über das Wärmeaustauschsystem hinweg bis über eine auf das Supraleitende aufgebrachte zusätzliche Isolierkeule durchgeht

In weiterer Ausführung der Erfindung ist dann der Temperaturaufbaubereich von mehreren hohlen konzentrischen, vorzugsweise auf verschiedenen (abgestuften) Temperaturen gehaltenen zusätzlichen Kälteisolierräumen umgeben.

Es empfiehlt sich dabei, die an das Supraleiterende und in die zusätzlichen Kälteisolierräume führenden Kältemittelzuflüsse in Höhe des kabelseitigen Endes der zusätzlichen Isolierkeule anzuordnen.

Im Rahmen der Erfindung soiien unter dem Begriff Endverschluß auch solche Kabalarmaturen verstanden werden, die das Supraleiterkabel abschließen, aber statt zu einem Ausführungsbolzen z. B. zu einem Normalleiter eines sich anschließenden Kabels auf normaler Temperatur (Raumtemperatur) überleiten. Zur Vereinfachung der weiteren Frläuterung der Erfindung wird hr Gegenstand jedoch weiterhin als Endverschluß Dezeichnet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiei der Erfindung in einem Längsschnitt eines Endverschlusses unter Beschränkung auf die wesentlichen Einzelheiten dargestellt

Der aus dem Endverschluß herausführende Normafleiterbolzen I z. B. aus Kupfer ist von dem vorzugsweise aus Porzellan bestehenden und wie üblich mit Rippen versehenen und sich nach unten konisch erweiternden Außenisolator 2 umgeben. Dem Feldabbau dient die den Normalleiterbolzen 1 innerhalb des Außenisolators 2 umschließende rohrförmige durchschlagfeste Isolierung 3, die mit Feldsteuerungseinlagen (Kondensatorbelägen) versehen sein kann. Der Außenisolator 2 sitzt auf dem Flansch 10 auf, der in der Richtung der Endverschluß-Längsachse gesehen an der Grenze vom Feldabbaubereich zum Temperaturaufbaubereich liegt.

Zum Temperaturaufbaubereich gehört die eigentliche thermische Übergangsstelle in Form eines elektrisch leitenden Wärmeaustauschsystem"- 4 das — im folgenden kurz als Wärmeaustauscher bezeichnet — sorni; außerhalb, nämlich im Ausführungsbeispiel unterhalb von dem Außenisolator 2 angeordnet isL Wärmeaustauscher sind mehrfach bekannt, so daß der in seiner Ausbildung nicht zur Erfindung gehörende Wärmeaustausener 4 keiner näheren Beschreibung bedarf. An dem Wärmeaustauscher 4 enden von oben kommend der auf normaler Temperatur befindliche Normalleiterbolzen 1 und von unten kommend der suprakalte Kabelleiter 5 des Supraleitungskabels 8; in diesem Wärmeaustauscher 4 findet somit bei elektrischer Durchverbindung der Temperaturübergang vom suprakalten Leiter 5 auf den Normalleiter 1 statt. Auf die Leiterisolierung 6 des Supraleiterendes, die z. B. aus mit flüssigem Helium getränkten Papier besteht, ist eine zusätzliche Isolierkeule 7 aufgebracht, die wie üblich innen - und außenkonisch endet und bis zu der die rohrförmige durchschlagfeste Isolierung 3 des Normalleiterholzens I herunterreicht. Zwischen Isolierkeule 7 und der rohrförmigen durchschlagfesten Isolierung 3 sind längere Isolierstrecken 6' allein oder teilweise nur durch Helium isoliert

Diese Maßnahme ist eine Folgerung aus den Untersuchungsergebnissen über die Durchstiilagsfestigkeit bei 4° K von flüssigem Helium allein und von heliumgetränktem Papier. Diese Ergebnisse haben überraschenderweise gezeigt, daß — entgegen der Erfahrung bei ölbetränktem Papier im Vergleich zu Öl allein — die elektrische Festigkeit von flüssigem Helium allein gleich oder größer ist als die Durchschlagsfestigkeit von mit flüssigem Helium getränktem Papier.

Die bei dem Endverschluß gemäß der Erfindung getroffene Maßnahme kann in allgemeiner Form dahin jusfeesprochen werden, daß — entgegen den bisherigen Gepflogenheiten bei ölgetränktem Papier — auf verschiedene Wicklungen aus heliumgetränktem Papier in Supraleiterkabelendverschlüssen verzichtet werden und die betreffende Hohlraumisolierstrecke allein oder teilweise aus flüsi'gem Helium bestehen kann.

Zu dem Temperaturaufbaubereich des Endverschlusses gehören noch die mehreren (z. B. zwei) ihn umgebenden hohlen konzentrischen zusätzlichen Kälteisolierräume 9. Wie die Zeichnung erkennen läßt, sind z. B. zwei an das Supraleitterende 5 und in einen der beiden zusätzlichen Kä'teisolierräume 9 führende Kältemittelzuflüsse 9' in Höhe des kabelseitigen außenkonischen Endes der zusätzlichen Isolierkeule 7 angeordnet. Auf diese Weise lassen sich die zusätzlichen Kälteisolierräume 9 auf ver«*hit-Hpnf»n Tpm_n»rai„™n

halten, gegebenenfalls auch in mehr als zwei bzw. drei Abstufungen.

Die Erfindung bringt den Fortschritt, daß mit am Erfolg gemessen vertretbarem Aufwand die beim Bau von Supraleiterkabelendverschlüssen aufgetretenen Probleme, daß außer extrem großen Leiterquerschnittsunterschieden auch extrem große Temperaturunterschiede beherrscht werden müssen, besser und leichter lösbar sind. Die erfindungsgemäße Maßnahme, daß der Normalleiterbolzen an der Grenze zwischen dem Bereich des Temperaturaiifbaus und des Fcldabbaus

in

endet, bietet den Vorteil, daß der Temperaluraufbau weilestgchcnd ungeslört erfolgen kann. Dabei können für den Feldabbau konventionelle und deshalb nicht näher erläuterungsbedürftigc Maßnahmen und Isolierstoffe verwendet werden. Der Porzcllanaußenisolator befindet sich auf normaler Temperatur, so daß seine Funktion, von der Kabelisolierung auf die Luftisolierung überzuleiten, nicht durch evtl. auffrierende und die Überschlagsfestigkeit herabsetzende Wasserschichten erschwert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Endverschluß für elektrische Supraleiterkabelanlagen, bei dem der Bereich des Temperaturaufbaus vom Supraleiter zum Normalleiter in Richtung zur Endverschluß-Längsachse von dem Bereich des elektrischen Feldabbaus getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Normalleiter an der Grenze zwischen beiden Bereichen endet.

2. Endverschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ein Wärmeaustauschsystem (4) enthaltende Temperaturaufbaubereich außerhalb von dem zusammen mit dem Normalleiterbolzen (1) endenden Außenisolator (2) angeordnet ist, vorzugsweise unterhalb von ihm.

3. Endverschluß nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß in ihm Isolierstrecken oder Isolierhohlräume (6') oder ganz oder teilweise und ohne eine in ihnen unmittelbar wirkende feste Isolierung allein durch Helium isoliert sind.

4. Endverschluß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Normalleiterbolzen (1) innerhalb des Außenisoiators (2) umschließende rohrförmige durchschlagsfeste Isolierung (3) über das Wärmeaustauschsystem (4) hinweg bis über eine auf das Supraleiterende (5) iufgebrachte zusätzliche Isolierkeule (7) durchgeht.

5. Endverschluß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturaufbaubereich von mehreren hohlen konzentrischen, vorzugsweise auf verschi?denen Temperaturen gehaltenen zusätzlichen Kälteisolierräumen (1) umgeben ist.

6. Enciverschluß nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ar. das Supraleiterende (5) und in die zusätzlichen Kälteisoiierräume (9) führendenKältemittelzuflüsse (9') in Höhe des kabelseitigen Endes der zusätzlichen Isolierkeule (7) angeordnet sind.