DE2307242B2

DE2307242B2 - Elektrischer Leiter aus supraleitenden Einzelleitern

Info

Publication number: DE2307242B2
Application number: DE2307242A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. 8520 Erlangen Penczynski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-02-14
Filing date: 1973-02-14
Publication date: 1975-12-18
Also published as: US3876823A; FR2217837A1; DE2307242A1; CH563650A5; FR2217837B1; CA1006930A; GB1455333A; JPS5041494A

Description

a =

2 · I 5 · R₁

/»ι 3 ,

_Ί ■ (1 + COSd) — I COSa

ist. wobei

sin ι/ =

b²

■-r

und ödie kleine Querschnittshalbachse der Einzelleiter (2) und m die Anzahl der Einzelleiter (2) ist

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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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 Einzelkitern.

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 frfolgen 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 bir 10 GW) aas 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 Wechselstromverluste im Niob bleiben gering, wenn die an der Leiteroberfläche auftretende magnetische Feldstärke unter der kritischen Feldstärke Hc\ bleibt (etwa 1,1 · 10* A/m bei 4,2 K). Der Strom fließt nur in einer Bruchteile von μηι starken Oberflächenschicht, 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 16 40 750 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 mi'einander 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 Abstand zwischen dem Hin- und dem Rückleiter einer jeden Phase kann eine gewünschte Hochspannungsfestigkeit erreicht werden. Jedoch ist die elektrisch stabilisierende Wirkung des normalleitenden Materials bei einer solchen Rohranordnung auf Grund 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. Von K1 a u d y ist deshalb in »Elektrotechnik und Maschinenbau«, Bd. 82, 1965, S. 275 bis 281, vorgeschlagen worden, die Leiteranordnung aus mehreren Drehstromsystemen aufzubauen, wobei jedes dieser Systeme aus drei dünnen, möglichst dicht im Dreieck angeordneten, isolierten Supraleiterdrähten 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«, Bd. 89, 1972, S. 93 bis 110, sind auch schon Gleichstromkabel bekannt, die den Vorteil der Flexibilität auf Grund des Kabelaufbaus aus elektrisch parallelgeschalteten 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 Einzelleiter 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 Kurzschlußstrombelastbarkeit des gesanten Kabels vergrößert Mehrlagige Anordnungen sind auf Grund ihres yrößeren prozentualen Querschnitts an normallei- ι ο tendem 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 Wechsel-Stromverluste. Dabei hat der äußere Leiter jeder Phase auf Grund seines größeren Durchiressers die geringeren WechseJstromverluste, so daß bei den !olgenden 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 übernimmt. 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 Feldüberhöhung 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 Quer-Schnittsachsen 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 abnehmen. Unter der Voraussetzung rein geometrischer Betrachtungen für einen solchen mehrlagigen Innenleiter liegen diese Wechselstromverluste nur um einen Faktor 1,6 höher als be¹ einer starren Rohranordnung. Dieser erzielbare Faktor wird bis auf einige Prozent bereits bereits erreicht, wenn das Verhältnis von großer Ellipsenhalbachse a zu kleiner Ellipsenhalbarhse b etwa 3 :1 gewählt wird. Nach einer weiteren Ausbildung eines elektrischen Leiters nach der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß 6s dieses Verhältnis mindestens gleich 3 ist.

Vorteilhaft ist ferner bei vorgegebener Anzahl m der Einzelleiter und vorgegebenem Halbachsenverhältnis a : öder Einzelleiter die Größe der großen Halbachse

2-IS-

m 3

■j ■ (1 + COSn) —

zu wählen, wobei Ri der Radius des gesamten Innenleiters und

sin u =

die Ellipsenexzentrizität ist. 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 Ri zu, weil innerhalb dieses Radius Ri bei einer Erhöhung der Anzahl der Einzelleiter die Einzelleiterquerschnittsflächen kleiner gewählt werden müssen und somit die geometrischen Abmessungen der Querschnittsflächen sogar kleiner als die Eindringtiefe in das Leitermaterial (Skineffekt) werden können. Die damit verbundene Erhöhung der Jouleschen Verluste ist für Aluminium geringer als beispielsweise für Kupfer, da auf Grund des für 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 α zwischen 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 Ri um die Leiterachse angeordneten Einzelleiter 2 können beispielsweise als Hinleiter einer Drehstromphase dienen. In einem vorgegebenen Abstand, der zur Isolation 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 Winkel λ etwa 75° beträgt. Die

große Ellipsenhalbachse 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 1 (H 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 einer Phase sind Ri = 3 · 10-² m bzw. Ra " 5 · 10-² m. Daraus ergibt sich für das Magnetfeld des Hinleiters ein Scheitel wert Hs = 94,3 mT. Dieser Wert ist wesentlich kleiner als der Wert für die untere kritische Feldstärke von Niob Ha (Nb) < 150 mT. Ein Optimum an Stabilisierung bei minimalen Wechselstromverlusten wird für folgende Leiterkonfiguration erreicht: m etwa 25; « etwa 75°; a = 4-IO-³m; 6=1· 10~³ m, wobei m die Anzahl der Einzelleiter 2, sin« 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 derr der Einzelleiter 2. Die Einzelleiter 3 können aber auch kreisförmigen Querschnitt besitzen. Die Wechselstrom Verluste für diesen koaxial angeordneten Rückleiter sine geringer, da das Magnetfeld wegen des größeren Radiu; Ra klein ist. Deshalb kann der Rückleiter ein- odei mehrlagig ausgeführt sein. Im Falle der Normalleitum: muß jedoch der dem Strom zur Verfügung stehende Normalleiterquerschnitt dem des Hinleiters entspre·

ίο chen.

Um von Materialkonstanten unabhängig zu sein werden die Wechselstromverluste P auf einen identi sehen, koaxialen Rohrleiter bezogen.
Dann ist P: ΡλοΛγ etwa 1,6. Die Jouleschen Verluste Si pro Oberfläche für den vom Betriebsstrom durchflösse nen Normalleiter betragen etwa Sl = 0,005 W/cm² Dagegen betragen die Verluste Sr für einen entspre chenden Rohrleiter mit Kupfer als Stabilisierungsmate rial und einer Rohrwandstärke von 3 mm etwa Sr = 0,053 W/cm². Mit einer geringen Leitererw?rmung vor etwa 0,5 K können von einem Heliumbad etwa 0,6 W/cm² abgeführt werden. Somit kann der zulässige Überstrom, beispielsweise der Kurzschlußstrom, etwa das 11 fache des Betriebsstromes betragen. Dageger könnte der zulässige Kurzschlußstrom eines entspre chenden Rohrleiters nicht wesentlich mehr als der dreifachen Betriebsstrom betragen.

Ferner kann man die Transponierung der supraleitenden Einzelleiter 2 und 3 so gestalten, daß die Länge des

Gesamtleiters bei Temperaturänderungen konstam bleibt.

Hierzu 1 Blatt Zeiclinunccn

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Leiter, insbesondere zur Drehstromübertragung mit einem Innenieiter aus mehrlagig angeordneten supraleitenden 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 (Ri) des Innenleiters stehen.

2. Elektrischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von großer zu kleiner Achse des elliptischen Querschnitts der Einzelleiter mindestens gleich 3 ist

3. Elektrischer Leiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für einen vorgegebenen Radius (Ri) des Innenleiters und für eine vorgegebene Exzentrizität (sina) der im Innenleiter angeordneten Einzelleiter (2) deren große Querschnittshalbachse