DE2310327B2 - Rohrfoermiger phasenleiter eines drehstromkabels - Google Patents

Description

l gg g

Supraleitenden Kabeln. Es erhebt sich dabei die Frage, ob diese Übertragung mittels Drehstrom oder Gleichstrom erfolgen soll. Bei einem Gleichstrombib d l

elektrisch isolierte Teile (6 bis 8) unterteilt ist, die um ihre Längsrichtung verdrillt sind.

2. Rohrförmiger Phasenleiter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (4) aus 15 Entsprechende Leiter für Drehstromkabel sind in Aluminium bestehen, das mit einer Niobschicht verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Ein aus (S) überzogen ist. der »Elektrotechnischen Zeitschrift«, Ausgabe B,

Bd. 20 (1968), S. 273 bis 277, bekanntes Drehstrom-

kabel sieht für jede Phase mindestens ein koaxiales

20 Leiterpaar vor. Ein rohrförmiger Innenleiter, der z.B. zur Phabenhinleitung dient, ist dabei in einem vorbestimmten Abstand von einem zur Phasenrückleitung

Die Erfindung bezieht sich auf einen rohrförmigen dienenden rohrförmigen Außenleiter konzentrisch fhasenleiter eines Drehstromkabels mit wenigstens umschlossen. Eine vollständige Feldkompensation einer Lage nebeneinander angeordneter Einzelleiter, 25 außerhalb des Leitersystems erreicht man dadurch, die jeweils aus einem normalleitenden Träger und daß die Rückleiter der drei Drehstromphasen am einer darauf aufgebrachten Schicht aus supraleiten- Kabelanfang miteinander verbunden sind. Ferner dem Material bestehen. sind in dieser Anordnung die Leiter kräftefrei, und

Die technologische Entwicklung der supraleiten- die Stromverteilung sowie die Feldverteilung an den den Materialien sowie der Tieftemperaturtechnik er- 30 Leiteroberflächen sind homogen. Man erhält somit lauben die Übertragung höchster Leistungen mit geringe Wechselstromverluste des Supraleiters. Da lid Kbl E h i i bei einer solchen koaxialen Anordnung der einzelnen

Leiterpaare die elektrischen und magnetischen Felder

g nur zwischen den Außen- und Innenleitern auftreten,

betrieb der supraleitenden Kabelstrecke würden 35 können innerhalb des Innenleiters und außerhalb des iwar in den Supraleitern keine Wechselstromverluste Außenleiters Normalleiter beliebiger Menge und Leitauftreten, dagegen müßten Gleichrichtersysteme für fähigkeit angeordnet werden, ohne daß in i'.r..en Wirhöchste Leistungen entwickelt und eingesetzt wer- belstromverluste entstehen. Damit ist es möglich, den. Deshalb dürften solche Gleichstromkabel haupt- diese Supraleiter so zu stabilisieren, daß nach einem sächlich zur Übertragung höchster Leistungen, bei- 40 Übergang des Supraleiters in den normalleitenden Spielsweise bis 100 GW, über große Entfernungen in Zustand ein gut gekühltes normalleitendes Stabilisießetracht gezogen werden, wobei sogenannte harte rungsmaterial zur Verfügung steht, das einen Kurz-Supraleiter wie Niob-Titan oder Niob-Zinn zur An- schlußstrom vorübergehend ohne nennenswerte Temwendung kommen dürften. Dagegen sind supra- peratursteigerung übernehmen kann. Die elektrische leitende Drehstromkabel wegen ihrer höheren Be- 45 stabilisierende Wirkung des normalleitenden Matetriebskosten pro Kilometer im Vergleich zu den rials ist jedoch bei einer solchen Anordnung auf Gleichstromkabeln in erster Linie zur Energieüber- Grund der rohrförmigen Ausbildung der Phasenleiter tragung über kürzere Entfernungen, je nach Leistung durch den Skineffekt beschränkt. Darüber hinaus und Spannung bis etwa 100 km, geeignet. Ihr Einsatz muß die Längenkompensation beim Abkühlen des erscheint besonders vorteilhaft zur Einspeisung mitt- 50 Kabels über Wellkörper erfolgen. Diese Kabelanordlerer bis hoher Leistungen, beispielsweise von 1 bis nung läßt sich somit im Gelände nur schwierig ver-10 GW, aus bestehenden Wechselstromhochspan- legen.

nungsnetzen in die Ballungszentren des Energiever- Werden diese koaxialen, hohlzylindrischen Rohre

brauchs, z. B. die Städte. der einzelnen Phasenleiter durch einzelne in Leiter-

Ais Materialien im Hinblick auf die auftretenden 55 längsrichtung nebeneinander angeordnete Drähte er-Wechselstromverluste werden zweckmäßig söge- setzt, so erhält man einen flexiblen Leiter. Eine dernannte weiche Supraleiter wie beispielsweise Niob artige Ausführungsform eines Tieftemperaturkabels und in geringerem Maße auch Blei verwendet. Die ist von Wilkinson in »PROC. IEE«, Vol. 113, Wechselstromverluste lassen sich im Niob gering Nr. 9, September 1966, S. 1509 bis 1521, beschriehalten, wenn die an der Leiteroberfläche auftretende 60 ben. Bei diesem bekannten Kabel ist der Abstand magnetische Feldstärke unter der kritischen Feld- der einzelnen Aluminium- oder Berylliumdrähte in stärke H_cx bleibt, die für Niob bei 4,2 K etwa einer sogenannten transponierten Anordnung inner-1,1 · 10⁵ A/m beträgt. Der Strom fließt dann nur in halb der beiden koaxialen Lagen so gewählt, daß einer Bruchteile von μηι dicken Oberflächenschicht, jeder der Drähte einen gleichmäßigen Betrag des so daß man mit sehr geringen supraleitenden Schicht- 65 Stromes übernimmt.

didken auskommen kann. Als Leiterformen kommen Aus der deutschen Auslegeschrift 18 14 036 ist

zylindrische oder hohlzylindrische Ausführungen in ferner bekannt, daß bei einem Tieftemperaturkabel Betracht, damit eine ungleichmäßige Stromverteilung mehrere Einzelleiter in mehreren Lagen um die

3 ' 4

Kabelachse angeordnet werden können. Jede Lage Dies hat zur Folge, daß erst bei einer größeren Ander Einzelleiter ist zur Kabelachse derart verdrillt, zahl von Einzelleitern die Eindringtiefe den Drahldaß die Leiter eine Schraubenlinie bilden. Die Stei- durchmesser übersteigt.

jung der Schraubenlinie kann so gewählt werden, Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der

daß die Länge des Kabels unabnängig von Tempe- 5 Zeichnung schematisch dargestellt und wird nach-

raturschwankungen konstant bleibt. Die Einzelleiter folgend erläutert. Es zeigt

können mit normalleitenden Materialien, beispiels- F i g. 1 einen koaxialen Leiter einer Drehstromweise Kupfer oder Aluminium, so stabilisiert sein, phase mit den Einzelleitern nach der Erfindung und daß sie im Störungsfall, insbesondere im Falle eines Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Einzelleiter. Kurzschlusses, für kurze Zeit den gesamten Strom "> Der in Fig. 1 dargestellte koaxiale Leiter besteht ohne wesentliche Erwärmung übernehmen können. aus zwei konzentrischen rohrförmigen Lagen 2 und 3, Um Wirbelstromverluste im Stabilisierungsmaterial die zur Hin- bzw. Rückleitung einer Drehstromphase zu vermeiden, bestehen die Einzelleiter im allgemei- dienen können. Der Abstand der Lage 2 von der nen aus einem normalleitenden Draht, auf dessen Kabelachse ist in der Figur mit R_h der Abstand der Oberfläche das supraleitende Material aufgebracht 15 Lage 3 von der Kabelachse mit R_a bezeichnet. Durch ist. einen genügenden Abstand zwischen den beiden

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Lagen kann die gewünschte Hochspannungsfestigkeit diese Drehstromphasenleiter mit konzentrischen, des Phasenleiters erreicht werden. Jede Lage besteht rohrförmigen Lagen aus nebeneinander angeordneten aus einer Vielzahl von Einzelleitern 12 bzw. 13, Einzelleitern zu verbessern, insbesondere die Stabili- »o deren Aufbau in F i g. 2 dargestellt ist. Die Einzelsierungswirkung des normalleitenden Querschnitts leiter 12 und 13 haben in den Figuren kreisförmige der Einzelleiter zu erhöhen. Es wurde nämlich er- Querschnitte und werden vorteilhaft transponiert, kannt, daß die Anordnung der Einzelleiter in der d. h., sie werden so in den einzelnen Lagen angeordgleichen Lage nebeneinander zu einer asymme- net, daß sie jeweils den gleichen Betrag des Betriebstrischen Stromverteilung in dem normalleitenden 25 stromes übernehmen. Darüber hinaus läßt sich eine Trägermaterial der Einzelleiter führen kann. Auf Anordnung der Einzelleiter dabei so vornehmen, daß Grund dieser Asymmetrie wird nur ein Teil des Quer- der Gesamtleiter unabhängig von Temperaturändeschnitts des normalleitenden Trägermaterbls zur rungen seine konstante Länge beibehält. Ein entStabilisierung ausgenutzt. sprechendes Kabel ist beispielsweise in der deutschen

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß da- 30 Auslegeschrift 18 14036 beschrieben,

durch gelöst, daß jeder normalleitende Träger der Die Einzelleiter 12 des Phasenhinleiters können

Einzelleiter in Leiterlängsrichtung in mindestens zwei beispielsweise auf dem Außenmantel eines in der

voneinander elektrisch isolierte Teile unterteilt ist, Figur nicht dargestellten hohlzylindrischen, spiral-

die um ihre Längsrichtung verdrillt sind. förmigen Kunststoffkörpers angeordnet sein. Um die

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen 35 Lage 2 dieser Einzelleiter läßt sich zweckmäßig eine vorzugsweise darin, daß die Jouleschen Verluste pro elektrische Isolationsschicht aus Kunststoffolien anOberfläche des normalleitenden Stabilisierungsmate- bringen. Auf der Außenseite dieser ebenfalls in der rials verringert werden. Je geringer sie sind, desto Figur nicht dargestellten Isolationsschicht kann größer ist der zu'ässige Überstrom. Durch eine Unter- dann die Lage 3 aus den Einzelleitern 13 angeordnet teilung der normalleitenden Träger in Verbindung 40 sein. Die isolationsschicht, die zugleich als mechamit ihrer Verdrillung kann nämlich eine bessere Aus- nischer Abstandshalter zwischen den beiden Einzelnutzung des normalleitenden Stabilisierungsmaterials leiterlagen 2 und 3 dient, bestimmt darüber hinaus auf Grund der hierdurch bewirkten symmetrischen die Hochspannungsfestigkeit des Phasenleiters. Eine Stromverteilung im Stabilisierungsmaterial erreicht feste Lage der Einzelleiter 13 kann durch eine Bewerden. Gegenüber einer entsprechenden Leiter- 45 wehrung gewährleistet sein. Sowohl der spiralförmige anordnung aus Einzelleitern ohne Unterteilung des Kunststoffkörper als auch diese Bewehrung werden Stabilisierungsmaterials lassen sich hierdurch die vorteilhaft so ausgestaltet, daß sie den freien Zutritt Jouleschen Verluste pro Oberfläche um etwa einen eines Kühlmediums an die Einzelleiter gestatten. BeiFaktor 2 verringern. Damit ergibt sich eine Erhöhung spielsweise kann der Kunststoffkörper so ausgebildet der Kurzschlußstrombelastbarkeit um etwa einen 50 sein, daß er in Form einer bandförmigen Kunststoff-Faktor γ!. spirale eine Schraubenlinie um die Achse des Phasen-

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der leiters bildet, wobei die Ganghöhe größer als die

Erfindung können die Einzelleiter aus Aluminium- Breite des Spiralbandes ist.

drähten bestehen, die mit einem Überzug aus Niob Der Aufbau der Einzelleiter 12 und 13 ist schemaversehen sind. Hierdurch wird die Kurzschlußstrom- 55 tisch aus F i g. 2 ersichtlich. Der Träger 4 des Einzelbelastbarkeit des Phasenleiters noch weiter erhöht. leiters ist ein nonnalleitender Draht mit beispiels-Mit zunehmender Anzahl der Einzelleiter nehmen weise kreisförmigem Querschnitt. Dieser Draht kann die Jouleschen Verluste pro Oberfläche bei vorge- aus Kupfer oder vorteilhaft aus Aluminium bestehen gebenem Phasenleiterdurchmesser zu, weil dann die und dient zur Stabilisierung des supraleitenden Mate-Einzelleiterquerschnittsflächen kleiner gewählt wer- 6° rials 5, das in Form einer dünnen Schicht um den den müssen und somit die geometrischen Abmessun- normalleitenden Träger 4 in gutem elektrischem Kongen der Querschnittsflächen sogar kleiner als die Ein- takt angeordnet ist. Der Querschnitt des normaldringtiefe in das Leitermaterial (Skineffekt) werden leitenden Trägers 4 ist erfindungsgemäß in drei etwa können. Die damit verbundene Erhöhung der gleiche Segmente 6 bis 8 unterteilt, die durch dünne Jouleschen Verluste ist für Aluminium geringer als 65 Zonen 9 bis 11 aus Isolationsmaterial elektrisch vonbeispielsweise für Kupfer, da auf Grund des für Alu- einander getrennt sind. Jeder Einzelleiter ist mit einer minium besseren Restwiderstandsverhältnisses die äußeren Isolationsschicht 15 umgeben, die bei einer Eindrinetiefe für dieses Leitermaterial kleiner ist. engen Aneinanderreihung der Einzelleiter einen elek-

trischen Kontakt der supraleitenden Oberflächen verhindern soll. Diese mantelähnlichen Isolationsschichten 15,' die zugleich als Abstandselemente zwischen benachbarten Einzelleitern dienen, können auch so ausgebildet sein, daß sie eine feste Lage der einlagig angeordneten Einzelleiter untereinander gewährleisten. Dann ist eine zusätzliche Abstützung der inneren Lage des Phasenleiters durch einen besonderen Körper nicht erforderlich.

Eine kreisförmige Ausgestaltung des Querschnitts der Einzelleiter 12 und 13 ist nicht erforderlich. Es kann auch daran gedacht werden, die Einzelleiterquerschnitte, beispielsweise durch einen Preßvorgang, etwas abzuflachen, so daß sie eine leicht rechteckige Gestalt mit abgerundeten Ecken erhalten. Eine solche Deformation läßt sich aber nur so weit vornehmen, als die geometrischen Abmessungen der Querschnitte nicht die Größenordnung der Eindringtiefe (Skineffekt) in das Leitermaterial annehmen.

Ein Phasenleiter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, der einzelne niobüberzogene Aluminiumdrähte 12 und 13 enthält, kann beispielsweise zur Übertragung eines Betriebsstroms von 10⁴ 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 inneren Hin- und äußeren Rückleiters einer Phase sind R₁ — 3 · 10~² bzw. R₁₁ = 5 · 10~²m. Hieraus ergibt sich für den Hinleiter ein Scheitelwert des Magnetfeldes H_s — 94,3 mT. Dieser Wert ist jedoch wesentlich kleiner als der Wert für das untere kritische Feld von Niob /i_rl(Nb) < 15OmT. Die Jouleschen Verluste pro Oberfläche sind in einem weiten Bereich nahezu

ίο unabhängig von der Anzahl m der Einzelleiter. Diese Verluste sind beispielsweise im Bereich 10<m<300 annähernd konstant. Sie betragen für den inneren Hinleiter mit m — 100 Aluminiumdrähten mit einem Restwiderstandsverhältnis von 1000 bei einem Drahtdurchmesser von 2 · 10"³ m und dem Betriebsstrom von 1O⁺⁴A etwa 2,5 · 10~3 W/cm². Für eine Abschaltzeit von 200 msec und einer zulässigen Erwärmung des zur Kühlung des supraleitenden Materials des Leiters erforderlichen Heliumbades um 0,5 K folgt daraus, daß ein Wert des Kurzschlußstiomes zulässig ist, der etwa 22mal größer als der genannte Betriebsstrom ist. Der Vergleichswert für einen Rohrleiter mit Kupfer als Stabilisierungsmaterial, dei 3 mm Wandstärke und ein Restwiderstandsverhältnis von etwa 100 besitzt, liegt bei etwa 8.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Rohrförmiger Phasenleiter eines Drehstromkabels mit wenigstens einer Lage nebeneinander angeordneter Einzeileiter, die jeweils aus einem normalleitenden Träger und einer darauf aufgebrachten Schicht aus supraleitendem Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß

vermieden wird. Die supraleitenden Schichten werden hierzu vorteilhaft auf Rohre aus normalleitenden Materialien, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, aufgebracht. Diesen normalleitenden Rohren kommt 5 dabei die Aufgabe zu, den Supraleiter zu stabilisieren. Sie sollen somit nach einem etwaigen Übergang der Supraleiter vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand, dem sogenannten Quenchen, beispielsweise im Überlastungsfall, den Kurzschlußstrom

jeder Träger (4) der Einzelleiter (12, i3) in Lei- io übernehmen. Eine Überbemessung der Supraleiter terlängsrichtung in mindestens zwei voneinander derart, daß sie den Überlastungsstrom ohne Quenchen —---■— -- - selbst ertragen, scheidet unter anderem wegen der

dann erforderlichen großen Außendurchmesser und der hohen Kosten aus.