DE2307242A1 - Elektrischer leiter aus supraleitenden einzelleitern - Google Patents
Elektrischer leiter aus supraleitenden einzelleiternInfo
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Description
Elektrischer Leiter aus' supraleitenden Einzelleitern
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter, insbesondere zur Drehstromübertragung, mit einem Innenleiter aus
mehrlagig angeordneten supraleitenden Einzelleitern und einem den Innenleiter konzentrisch umschließenden Außenleiter aus
supraleitenden Einzelleitern.
Die technologische Entwicklung der supraleitenden Materialien sowie der Tieftemperaturtechnik erlauben die Übertragung
höchster Leistungen mit supraleitenden Kabeln. Es erhebt sich dabei die Frage, ob diese Übertragung mittels Drehstrom oder
Gleichstrom erfolgen soll. Bei einem Gleichstrombetrieb der supraleitenden Kabelstrecke würden zwar in den Supraleitern
keine Wechselstromverluste auftreten, dagegen müßten Gleichrichtersysteme für höchste Leistungen entwickelt und eingesetzt
werden. Deshalb dürften solche Gleichstromkabel hauptsächlich zur Übertragung höchster Leistungen (bis 200 GW)
über große Entfernungen in Betracht gezogen werden, wobei sogenannte harte Supraleiter, wie Niob-Titan oder Niob-Zinn
zur Anwendung kommen dürften. Supraleitende Drehstromkabel dürften wegen ihrer höheren Betriebskosten pro Kilometer im
Vergleich zu den Gleichstromkabeln in erster Linie zur Energieübertragung über kürzere Entfernungen, je nach Leistung
und Spannung bis etwa 100 km, geeignet sein. Ihr Einsatz erscheint besonders vorteilhaft zur Einspeisung mittlerer bis
hoher Leistungen (1 bis 10 GW) aus bestehenden Wechselstromhochspannungsnetzen in die Ballungszentren des Energieverbrauchs,
z.B. die Städte.
Als Baustoffe im Hinblick auf die Wechselstromverluste werden zweckmäßig sogenannte weiche Supraleiter wie beispielsweise
Niob und in geringerem Maße auch Blei verwendet. Die
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Wechselstromverluste im Niob "bleiben gering, wenn die an der
Lederoberfläche auftretende magnetische Feldstärke unter der
kritischen Feldstärke Hc1 bleibt (etwa 1,1·105 A/m'bei 4,2 -K).
Der Strom fließt nur in einer Bruchteile von /imstarken Ober-·
flächenschicht, so daß man mit sehr geringen Schichtdicken des Supraleiters auskommen·kann. Als Leiterformen kommen
zylindrische oder hohlzylindrische Ausführungen in Betracht, damit eine ungleichmäßige Stromverteilung vermieden wird.
Supraleitende Wechselstromkabel sind bisher in verschiedenen
Ausführungsformen bekanntgeworden. Ein aus der"deutschen Auslegeschrift
1 640 750 bekanntes Drehstromkabel sieht für jede Phase einen eigenen Leiter vor. Diese Phasenleiter sind so
ausgebildet, daß um einen rohrförmigen supraleitenden Phasen-Hinleiter ein rohrförmiger supraleitender Phasen-Rückleiter
konzentrisch in einem vorbestimmten Abstand angeordnet ist, der mittels besonders ausgebildeter Abstandselemente gewährleistet
ist. Die rohrförmigen supraleitenden Phasenleiter können durch normalleitendes Material stabilisiert sein. Die
drei Rückleiter dieser Drehstromanordnung werden am Kabeleingang
miteinander verbunden, so daß dadurch eine vollständige Feldkompensation außerhalb des Leitersystems erreicht wird.
Die Leiter sind kräftefrei, die Strom- und Feldverteilung an den Leiteroberflächen ist homogen und die Wechselstromverluste
des Supraleiters sind von der Geometrie her gering. Durch
einen genügenden Abteand zwischen dem Hin- und dem Rückleiter
einer jeden Phase kann eine gewünschte Hochspannungsfestigkeit erreicht werden. Jedoch ist die elektrisch stabilisierende
Wirkung des rormalleitenden Materials bei einer solchen
Rohranordnung aufgrund der rohrförmigen Ausbildung der Phasenleiter
durch den Skineffekt beschränkt. Darüber hinaus muß die Längenkompensation beim Abkühlen des Kabels jedoch über
Wellkörper erfolgen. Diese starre Kabelanordnung hat somit den Nachteil schwieriger Montage beim Verlegen im Gelände.
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Von Klaudy ist deshalb in "Elektrotechnik und Maschinenbau", Band 82, 1965, Seiten 275 bis 281 vorgeschlagen worden, die
Leiteranordnung aus mehreren Drehstromsystemen aufzubauen, wobei jedes dieser Systeme aus drei dünnen, möglichst dicht
im Dreieck angeordneten, isolierten Supraleiterdrähteh besteht. Mit diesem Leiteraufbau ist die Konstruktion eines
flexiblen Kabels mit nahezu vollständiger Feldkompensation im Außenraum möglich. Es muß jedoch die Übertragungsspannung
klein gehalten werden, da andernfalls Isolationsprobleme und große dielektrische Verluste auftreten würden.
Aus "Elektrotechnik und Maschinenbau", Band 89, 1972, Seiten 93 bis 110 sind auch schon Gleichstromkabel bekannt, die den
Vorteil der Flexibilität aufgrund des Kabelaufbaus aus elektrisch parallel geschalteten Einzelleitern mit dem Vorteil
der gewünschten Hochspannungsfestigkeit der rohrförmigen Leiter vereinen, indem die koaxial zueinander angeordneten
Hin- und Rückleiter der einzelnen Phasen aus supraleitenden Einzelleitern aufgebaut sind. Diese Einselleiter sind nebeneinander auf konzentrischen Kreisen um die Leiterachse in
Leiterlängsrichtung ein- oder mehrlagig angeordnet. Sie können
beispielsweise supraleitende Drähte sein, die mit normalleitendem Material; beispielsweise Kupfer oder Aluminium ,
stabilisiert sind. Durch eine Aufteilung des einzelnen Phasenleiters in viele Einzelleiter wird die stabilisierende
Wirkung des normalleitenden Materials im Leiter erhöht und damit die Kurzsehlußstrombelastbarkeit des gesamten Kabels
vergrößert. Mehrlagige Anordnungen sind aufgrund ihres größeren prozentualen Querschnitts an normalleitendem Material
besser als einlagige Anordnungen.
Die Erfindung geht nun von folgenden Überlegungen aus: Bei diesen Kabeln mit mehreren konzentrischen Leiterlagen führt
die Verwendung von einzelnen supraleitenden Drähten statt konzentrischer Rohre als Hin- und Rückleiter zu einer Erhöhung
der Wechselstromverluste. Dabei hat der äußere Leiter jeder
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Phase aufgrund seines größeren Durchmessers die geringeren
Wechselstromverluste, so daß bei den folgenden Überlegungen nur der mehrlagige Innenleiter der Phasen bezüglich dieser
Verluste berücksichtigt zu werden braucht. Bekanntlich können diese Wechselstromverluste geringfügig vermindert werden,
Wenn die Einzelleiter derart zueinander angeordnet werden, daß jeder Einzelleiter einen gleichmäßigen Betrag des
Stromes übenimmt. Bei einer solchen, sogenannten "transponierten"
Anordnung sind die Wechselstromverluste, wenn man die Materialkonstanten der Supraleiter außer acht läßt und nur
rein geometrische Betrachtungen anstellt, für einen Phasenleiter aus mehrlagig transponierten Einzelleitern mit kreisförmigem
Querschnitt gegenüber einer glatten Rohranordnung mit entsprechendem Radius um einen Faktor 3,6 größer. Sie
werden durch eine F el düber höhung auf der Oberfläche jedes dieser
Einzelleiter bestimmt; denn in diesen leitern befinden sich jeder stromdurchflossene Einzelleiter im transversalen Fremdfeld
aller anderen Einzelleiter. Je nach Größe des für das Leitermaterial spezifischen Entmagnetisierungsfaktors N führt
dieses transversale Fremdfeld zu einer Feldüberhöhung bezüglich der Einzelleiter, die umgekehrt proportional zu 1-N ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese mehrlagigen Phasenleiter eines Drehstromkabels zu verbessern, insbesondere
die Wechselstromverluste dadurch zu verringern, daß diese Feldüberhöhung abgebaut wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens die Einzelleiter des Innenleiters einen elliptischen
Querschnitt haben und ihre großen Querschnittsachsen senkrecht auf dem Radius des Innenleiters stehen.
Der elektrische Leiter nach der Erfindung hat neben einer geringen Feldüberhöhung auf der Oberfläche jedes der Einzelleiter
auch den Vorteil, daß die Wechselstromverluste abneh-
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men. Unter der Voraussetzung rein geometrischer Betrachtungen
für einen solchen mehrlagigen Innenleiter liegen diese Wechselstromverluste nur um einen Paktor 1,6 höher als bei
einer starren Rohranordnung. Dieser erzielbare Faktor wird bis auf einige Prozent bereits erreicht, wenn das Verhältnis
von großer Ellipsenhalbachse a zu kleiner Ellipsenhalbachse b etwa 3s1 gewählt wird. Nach einer weiteren Ausbildung eines
elektrischen Leiters nach der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß dieses Verhältnis mindestens gleich 3 ist.
Vorteilhaft ist ferner bei vorgegebener Anzahlmder Einzelleiter
und vorgegebenem Halbachsenverhältnis a:b der Einzelleiter, die Größe der großen Halbachse
a_ 1 . zß ' Ri
zu wählen, wobei R
/ 2 2 = y1-b /a
/ 2 2
der Radius des gesamten Innenleiters und sin = y1-b /a die Ellipsenexzentrizität sind. Mit dieser Auslegung erhält man
ein Minimum der Wechselstromverluste.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung eines elektrischen Leiters nach der Erfindung können die Einzelleiter aus
Aluminiumdrähten bestehen, die mit einem Überzug aus Niob versehen sind. Hierdurch wird die Kurzschlußstrombelastbarkeit
des Leiters erhöht. Wesentlich für diese Belastbarkeit sind nämlich die Jouleschen Verluste pro Oberfläche des normalleitenden
Stabilisierungsmaterials; je geringer sie sind, desto größer ist der zulässige Überstrom. Mit wachsender
Anzahl der mehrlagig angeordneten Einzelleiter jedoch nehmen sie bei vorgegebenem Phasenleiterdurchmesser Rj zu, weil
innerhalb dieses Radius R1 bei einer Erhöhung der Anzahl der
Einzelleiter die Einzelleiterquerschnittsflächen kleiner gewählt werden müssen und somit die geometrischen Abmessungen
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der Querschnittsflächen sogar kleiner als die Eindringtiefe
in das Leitermaterial (Spineffekt) werden können. Die damit verbundene Erhöhung der Jouleschen Verluste ist für Aluminium
geringer als beispielsweise für Kupfer, da aufgrund des fir Aluminium besseren Restwiderstandsverhältnisses die Eindringtiefe
für dieses Leitermaterial kleiner ist* Das hat zur Folge, daß erst bei einer größeren Anzahl von solchen Einzelleitern
die Eindringtiefe den Drahtdurchmesser übersteigt. Als Funktion von der Exzentrizität haben jedoch die Jouleschen
Verluste ein deutliches Minimum. Es liegt etwa bei einem oczwischen 70 und 75°.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und in den Unteransprüchen gekennzeichnete Weiterbildungen sind in der Zeichnung
schematisch dargestellt und werden nachfolgend erläutert.
Ein Leiter einer Phase eines Drehstromkabels ist aus einzelnen
supraleitenden Einzelleitern 2 und 3 aufgebaut, von denen in der Figur jeweils nur einige dargestellt sind. Die innerhalb
eines Kreises mit dem Radius Rj um die Leiterachse angeordneten Einzelleiter 2 können beispielsweise als Hinleiter
einer Drehstromphase dienen. In einem vorgegebenen Abstand, der zur IsoHdiion dient und somit die Hochspannungsfestigkeit
der Phase gewährleistet, ist konzentrisch um diese Einzelleiter 2 eine weitere Lage mit Einzelleitern 3 angeordnet.
Diese Einzelleiter 3» die wenigstens eine Lage bilden, wie in der Figur gestrichelt angedeutet ist, können als Rückleiter
der Drehstromphase dienen. Die Einzelleiter 2 sind mehrlagig angeordnet, d.h. mehrere konzentrische Schichten mit Einzelleitern
umschließen die Leiterachse. Ihre Lage zueinander kann vorteilhaft so gewählt werden, daß ihre Mittelachsen auf
konzentrischen Kreisen derart angeordnet sind, daß jeder Einzelleiter zum Eigenfeld und Fremdfeld eine gleichwertige
Lage hat (Transponierung). Die Einzelleiter haben einen elliptischen Querschnitt mit einer Exzentrizität, deren
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Winkel 06 etwa 75° beträgt. Me große Ellipsenharbach.se steht
jeweils senkrecht auf dem Radius des Gesamtleiters. Die supraleitenden Einzelleiter können vorzugsweise aus einem
Aluminiumdraht als Stabilisierung bestehen, auf dem ein supraleitendes
Material, vorzugsweise Niob, aufgebracht, beispielsweise aufgezogen ist. Durch einen Isolationsmantel können
diese Einzelleiter vor elektrischer Berührung mit den benachbarten Einzelleitern geschützt werden. Die Isolationsmäntel
können so ausgebildet sein, daß sie zugleich als Abstandselemente dienen, die eine feste Lage der Einzelleiter untereinander
gewährleisten.
Ein Phasenleiter gemäß dem Ausführungsbeispiel, der einzelne niobüberzogene Aluminiumdrähte 2 und 3 enthält, kann beispielsweise
zur Übertragung eines Betriebsstromes von 10 A bei einer Betriebsspannung von '64 kV dienen. Dann beträgt die
von einem Drehstromkabel mit drei solcher Phasen übertragene Leistung etwa 2000 MVA. Die Radien des Hin- und Rückleiters
-2 -2
einer Phase sind R^ = 3· 10 m bzw. R. = 5· 10 m. Daraus
ergibt sich für das Magnetfeld des Hinleiters ein Scheitelwert Hg = 94,3 mT. Dieser Wert ist wesentlich kleiner als der
Wert für die untere kritische Feldstärke von Mob Hc1 (Nb) .SS 150 mT. Ein Optimum an Stabilisierung bei minimalen
Wechselstromverlusten wird für folgende Leiterkonfiguration
ο -3 -3
erreicht: m etwa 25 ; ^-etwa 75 ; a = 4«10 m; b = 1.10 m,
wobei m die Anzahl der Einzelleiter 2, sincx/die Exzentrizität
und a, b die Halbachsen des elliptischen Querschnitts der Einzelleiter sind.
Die zur Rückleitung der Drehstromphase dienenden supraleitenden Einzelleiter 3 haben im Ausführungsbeispiel elliptischen
Querschnitt. Ihr Aufbau entspricht dem der Einzelleiter 2. Die Einzelleiter 3 können aber auch kreisförmigen Querschnitt
besitzen. Die Wechselstromverluste für diesen koaxial angeordneten Rückleiter sind geringer, da das Magnetfeld wegen
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des größeren Radius R. klein ist. Deshalb kann der Rückleiter
ein- oder mehrlagig ausgeführt sein. Im Falle der iormalleitung muß jedoch der dem Strom zur Verfügung stehende ETormalleiterquerschnitt
dem des Hinleiters entsprechen.
Um von Materialkonstanten unabhängig zu sein, werden die Wechselstromverluste P auf einen identischen, koaxialen Rohrleiter
bezogen.
Dann ist ^Ed0J11, etwa 1,6. Die Jouleschen Verluste S-r pro
Oberfläche für den vom Betriebsstrom durchflossenen Normalleiter
betragen etwa 3-^ = 0,005 W/cm . Dagegen betragen die
Verluste SR für einen entsprechenden Rohrleiter mit Kupfer
als Stabilisierungsmaterial und einer Rohrwandstärke von 3 mm
etwa S13 = 0,053 W/cm . Mit einer geringen Leitererwärmung von
etwa 0,5 K können von einem Heliumbad etwa 0,6 W/cm abgeführt
werden. Somit kann der zulässige Überstrom, beispielsweise der Kurzschlußstrom, etwa das 11-fache des Betriebsstromes betragen. Dagegen könnte der zulässige Kurzschlußstrom
eines entsprechenden Rohrleiters nicht wesentlich mehr als den dreifachen Betriebsstrom betragen.
Ferner kann man die Transponierung der supraleitenden Einzelleiter
2 und 3 so gestalten, daß die Länge des Gesamtleiters bei Temperaturänderungen konstant bleibt.
4 Patentansprüche
1 Figur
1 Figur
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Claims (4)
1. Elektrischer Leiter, insbesondere zur Drehstromübertragung,
mit einem Innenleiter aus mehrlagig angeordneten apraleitenden Einzelleitern und einem den Innenleiter konzentrisch
umschließenden Außenleiter aus supraleitenden Einzelleitern, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Einzelleiter
(2) des Innenleiters einen elliptischen Querschnitt haben und ihre großen Querschnittsachsen senkrecht auf dem
Radius (Rj) des Innenleiters stehen.
2. Elektrischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch' gekennzeichnet,
daß das Verhältnis von großer zu kleiner Achse des elliptiaahen Querschnitts der Einzelleiter mindestens gleich 3 ist.
3. Elektrischer Leiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für einen vorgegebenen Radius (Rj) des Innenleiters
und für eine vorgegebene. Exzentrizität (sinoi) der im Innenleiter
angeordneten Einzelleiter (2) deren große Querschnittshalbachse
. .i.gJLJi
m 2 ,
/~T2*
ist, wobei sinot= y1—« und b die kleine Querschnittshalb-
a*-
achse der Einzelleiter (2) und m die Anzahl der Einzelleiter
achse der Einzelleiter (2) und m die Anzahl der Einzelleiter
(2) sind.
4. Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelleiter (2) aus Aluminium
hoher Reinheit bestehen, die mit einem Überzug aus Niob versehen sind.
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. Leerseite
Priority Applications (7)
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