DE2310327B2 - Rohrfoermiger phasenleiter eines drehstromkabels - Google Patents
Rohrfoermiger phasenleiter eines drehstromkabelsInfo
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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,
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 Hcx 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 Rh der Abstand der
Oberfläche das supraleitende Material aufgebracht 15 Lage 3 von der Kabelachse mit Ra 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 Hs — 94,3 mT. Dieser Wert ist jedoch wesentlich
kleiner als der Wert für das untere kritische Feld von Niob /irl(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)
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.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |