DE2310327C3

DE2310327C3 - Tubular phase conductor of a three-phase cable

Info

Publication number: DE2310327C3
Application number: DE19732310327
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. 8520 Erlangen Penczynski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1973-03-01
Publication date: 1976-09-23

Description

Kabelachse angeordnet werden können. Jede Lage der Einzelleiter ist zur Kabelachse derart verdrillt, daß die Leiter eine Schraubenlinie bilden. Die Steigung der Schraubenlinie kann so gewählt werden, daß die Länge des Kabels unabhängig von Temperaturschwankungen konstant bleibt. Die Einzelleiter können mit normalleitenden Materialien, behpielsweise Kupfer oder Aluminium, so stabilisiert sein, daß sie im Störungsfall, insbesondere im Falle eines Kurzschlusses, für kurze Zeit den gesamten Strom ohne wesentliche Erwärmung übernehmen können. Um Wirbelstromverluste im Stabilisierungsmaterial zu vermeiden, bestehen die Einzelleiter im allgemeinen aus einem normalleitenden Draht, auf dessen Oberfläche das supraleitende Material aufgebracht isc.Cable axis can be arranged. Each layer of the individual conductor is twisted to the cable axis in such a way that that the conductors form a helix. The slope of the helix can be chosen so that the length of the cable remains constant regardless of temperature fluctuations. The single ladder can with normally conductive materials, for example Copper or aluminum, be stabilized so that in the event of a fault, especially in the case of a Short circuit, can take over the entire current for a short time without significant heating. In order to avoid eddy current losses in the stabilization material, the individual conductors are generally made made of a normal conducting wire, on the surface of which the superconducting material is applied isc.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese Drehstromphasenleiter mit konzentrischen, rohrförmigen Lagen aus nebeneinander angeordneten Einzelleitern zu verbessern, insbesondere die Stabilisierungswirkung des normalleitenden Querschnitts der Einzelleiter zu erhöhen. Es wurde nämlich erkannt, daß die Anordnung der Einzelleiter in der gleichen Lage nebeneinander zu einer asymmetrischen Stromverteilung in dem normalleitenden Trägermaterial der Einzelleiter führen kann. Auf Grund dieser Asymmetrie wird nur ein Teil des Querschnitts des normalleitenden TrägermateriaiS zur Stabilisierung ausgenutzt.The invention is now based on the object of this three-phase phase conductor with concentric, To improve tubular layers of individual conductors arranged next to one another, in particular the stabilizing effect to increase the normal conducting cross-section of the individual conductors. For it was recognized that the arrangement of the individual conductors in the same position next to each other results in an asymmetrical one Current distribution in the normally conducting carrier material of the individual conductor can lead. on Because of this asymmetry, only part of the cross-section of the normally conducting carrier material is used Stabilization exploited.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder normalleitende Träger der Einzelleiter in Leiterlängsrichtung in mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte Teile unterteilt ist, die um ihre Längsrichtung verdrillt sind.The stated object is achieved according to the invention in that each normally conductive carrier of The individual conductor is divided into at least two electrically insulated parts in the longitudinal direction of the conductor, which are twisted about their longitudinal direction.

Die mit de- Erfindung erzielten Vorteile bestehen vorzugsweise darin, daß die Jouleschen Verluste pro Oberfläche des normalleitenden Stabilisierungsmaterials verringert werden. Je geringer sie sind, desto größer ist der zulässige Überstrom. Durch eine Unterteilung der normalleitenden Träger in Verbindung mit ihrer Verdrillung kann nämlich eine bessere Ausnutzung des normalleitenden Stabilisierungsmaterials auf Grund der hierdurch bewirkten symmetrischen Stromverteilung im Stabilisierungsma'erial erreicht werden. Gegenüber einer entsprechenden Leiteranordnung aus Einzelleitern ohne Unterteilung des Stabilisierungsmaterials lassen sich hierdurch die Jouleschen Verluste pro Oberfläche um etwa einen Faktor 2 verringern. Damit ergibt sich eine Erhöhung der Kurzschlußstrombelastbarkcit um etwa einen Faktor \1. The advantages achieved with the invention are preferably that the Joule losses per surface of the normally conducting stabilizing material are reduced. The lower they are, the greater the permissible overcurrent. By subdividing the normally conducting supports in conjunction with their twisting, better utilization of the normally conducting stabilizing material can be achieved due to the symmetrical current distribution in the stabilizing material that is brought about by this. Compared to a corresponding conductor arrangement of individual conductors without subdivision of the stabilization material, the Joule losses per surface can be reduced by a factor of approximately 2. This results in an increase in the short-circuit current capacity by about a factor \ 1.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung können die Einzelleiter aus Aluminiumdrähten bestehen, die mit einem Überzug aus Niob versehen sind. Hierdurch wird die Kurzschlußstrombelastbarkeit des Phasenleiters noch weiter erhöht. Mit zunehmender Anzahl der Einzelleiter nehmen die Jouleschen Verluste pro Oberfläche bei vorgegebenem Phasenleiterdurchmesser zu, weil dann die Einzelieiterquerschnittsfiächen 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 F.indrinstiefe für dieses Leitermaterial kleiner ist.According to a further advantageous embodiment of the invention, the individual conductors can be made of aluminum wires consist, which are provided with a coating of niobium. This increases the short-circuit current rating of the phase conductor increased even further. Take as the number of individual conductors increases the Joule losses per surface for a given phase conductor diameter because then the Individual cross-sectional areas can be selected smaller must and thus the geometric dimensions of the cross-sectional areas are even smaller than the penetration depth can be in the conductor material (skin effect). The associated increase in Joule losses are lower for aluminum than, for example, for copper, because of that for aluminum better residual resistance ratio, the depth of indrin for this conductor material is smaller.

Dies hat zur Folge, daß erst bei einer größeren Anzahl von Einzelleitern die Eindringtiefe den Drahtdurchmesser übersteigt.This has the consequence that only with a larger number of single conductors the penetration depth exceeds the wire diameter.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend erläutert. Es zeigtAn embodiment of the invention is shown schematically in the drawing and is described below explained. It shows

F i g. 1 einen koaxialen Leiter einer Drehstromphase mit den Einzelleitern nach der Erfindung und F i g. 2 einen Querschnitt durch einen Einzelleiter.F i g. 1 shows a coaxial conductor of a three-phase phase with the individual conductors according to the invention and F i g. 2 shows a cross section through a single conductor.

ίο Der in Fig. 1 dargestellte koaxiale Leiter besteht aus zwei konzentrischen rohrförmigen Lagen 2 und 3, die zur Hin- bzw. Rückleitung einer Drehstromphase dienen können. Der Abstand der Lage 2 von der Kabelachse ist in der Figur mit R_t, der Abstand der Lage 3 von der Kabelachse mit R_a bezeichnet. Durch einen genügenden Abstand zwischen den beiden Lagen kann die gewünschte Hochspannungsfestigkeit des Phasenieiters erreicht werden. Jede Lage besteht aus einer Vielzahl von Einzelleitern !2 bzw. 13, deren Aufbau in F i g. 2 dargestellt ist. Die Einzelleiter 12 und 13 haben in den Figuren kreisförmige Querschnitte und werden vorteilhaft transponiert, d. h., sie werden so in den einzelnen Lagen angeordnet, dab sie jeweils den gleichen Betrag des Betriebsstromes übernehmen. Darüber hinaus läßt sich eine Anordnung der Einzelleiter dabei so vornehmen, daß der Gesamtleiter unabhängig von Temperaturänderungen seine konstante Länge beibehält. Ein entsprechendes Kabel ist beispielsweise in der deutschen Auslegeschrift 18 14 036 beschrieben.ίο The coaxial conductor shown in Fig. 1 consists of two concentric tubular layers 2 and 3, which can be used for the forward and return of a three-phase phase. The distance between layer 2 and the cable axis is denoted by R _t in the figure, and the distance between layer 3 and the cable axis is denoted by R _a . The required high-voltage strength of the phase conductor can be achieved with a sufficient distance between the two layers. Each layer consists of a large number of individual conductors! 2 or 13, the structure of which is shown in FIG. 2 is shown. The individual conductors 12 and 13 in the figures have circular cross-sections and are advantageously transposed, that is, they are arranged in the individual layers so that they each take on the same amount of operating current. In addition, the individual conductors can be arranged in such a way that the overall conductor maintains its constant length regardless of temperature changes. A corresponding cable is described in German Auslegeschrift 18 14 036, for example.

Die Einzelleiter 12 des Phasenhinleiters können beispielsweise auf dem Außenmantel eines in der Figur nicht dargestellten hohlzylindrischen, spiralförmigen Kunststoffkörpers angeordnet sein. Um die Lage 2 dieser Einzelleiter läßt sich zweckmäßig eine elektrische Isolationsschicht aus Kunststoffolien anbringen. Auf der Außenseite dieser ebenfalls in der Figur nicht dargestellten Isolationsschicht kann dann die Lage 3 aus den Einzelleitern 13 angeordnet sein. Die Isolationsschicht, die zugleich als mechanischer Abstandshalter zwischen den beiden Einzelleiterlagen 2 und 3 dient, bestimmt darüber hinaus die Hochspannungsfestigkeit des Phasenleiters. Eine feste Lage der Einzelleiter 13 kann durch eine Bewehrung gewährleistet sein. Sowohl der spiralförmige Kunststoffkörper als auch diese Bewehrung werden vorteilhaft so ausgestaltet, daß sie den freien Zutritt eines Kühlmediums an die Einzelleiter gestatten. Beispielsweise kann der Kunststoffkörper so ausgebildet sein, daß er in Form einer bandförmigen Kunststoffspirale eine Schraubenlinie um die Achse des Phasenleiters bildet, wobei die Ganghöhe größer als die Breite des Spiralbandes ist.The individual conductors 12 of the phase forwarder can, for example, on the outer jacket of one in the Figure not shown hollow cylindrical, spiral plastic body be arranged. To the Layer 2 of this single conductor can expediently be attached to an electrical insulation layer made of plastic foils. On the outside of this insulation layer, also not shown in the figure, can then the layer 3 from the individual conductors 13 can be arranged. The insulation layer, which is also a mechanical one The spacer between the two individual conductor layers 2 and 3 is also used the high voltage strength of the phase conductor. A fixed position of the individual conductors 13 can be achieved by reinforcement to be guaranteed. Both the spiral plastic body and this reinforcement are advantageously designed so that they allow the free access of a cooling medium to the individual conductors. For example the plastic body can be designed so that it is in the form of a band-shaped plastic spiral forms a helix around the axis of the phase conductor, the pitch being greater than that Width of the spiral belt is.

Der Aufbau der Einzelleiter 12 und 13 ist schematisch aus F i g. 2 ersichtlich. Der Träger 4 des Einzelleiters ist ein normalleitender Draht mit beispielsweise kreisförmigem Querschnitt. Dieser Draht kann aus Kupfer oder vorteilhaft aus Aluminium bestehen und dient zur Stabilisierung des supraleitenden Materials S, das in Form einer dünnen Schicht um den normalleitenden Träger 4 in gutem elektrischem Kontakt angeordnet ist. Der Querschnitt des normalleitenden Trägers 4 ist erfindungsgemäß in drei etwa gleiche Segmente 6 bis 8 unterteilt, die durch dünne Zonen 9 bis 11 aus Isolationsmatenal elektrisch voneinander getrennt sind. Jeder Einzelleiter ist mit einer äußeren Isolationsschicht 15 umgeben, die bei einer engen Aneinanderreihung der Einzelleiter einen elek-The structure of the individual conductors 12 and 13 is shown schematically in FIG. 2 can be seen. The carrier 4 of the single conductor is a normal conducting wire with a circular cross section, for example. This wire can made of copper or advantageously made of aluminum and serves to stabilize the superconducting material S, in the form of a thin layer around the normally conductive carrier 4 in good electrical contact is arranged. According to the invention, the cross section of the normally conductive carrier 4 is approximately three equal segments 6 to 8 divided by thin zones 9 to 11 of Isolationsmatenal electrically from each other are separated. Each individual conductor is surrounded by an outer insulation layer 15, which at a a close row of the individual conductors an elec-

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.to prevent tric contact of the superconducting surfaces. These jacket-like insulation layers 15, which also serve as spacer elements between adjacent individual conductors, can also do so be designed so that they ensure a fixed position of the single-layer arranged individual conductors with each other. Then the inner layer of the phase conductor is additionally supported by a special one Body not required.

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.A circular configuration of the cross section of the individual conductors 12 and 13 is not necessary. It can also be thought of, the individual conductor cross-sections, for example by a pressing process, to flatten slightly so that they get a slightly rectangular shape with rounded corners. Such a deformation can only be made as far as the geometric dimensions of the Cross-sections do not assume the order of magnitude of the depth of penetration (skin effect) into the conductor material.

Ein Phasenleiter gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, der einzelne niobüberzogene Aluminiumdrähte 12 und 13 enthält, kann beispielsweise zur Übertragung eines Betriebsstroms von 10⁴A 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 /?, = 3 ■ 10 ² bzw. R₁₁ -— 5 · 10 -m. Hieraus ergibt sich für den Hinleiter ein Scheitelwert des Magnetfeldes H_s — 94,3 mX. Dieser Wert ist jedoch wesentlich kleiner als der Wert für das untere kritische Feld von Niob W₁₁(Nb) < 15OmT. Die Jouleschen Verluste pro Oberfläche sind in einem weiten Bereich nahezuA phase conductor according to the exemplary embodiment according to the invention, which contains individual niobium-coated aluminum wires 12 and 13, can be used, for example, to transmit an operating current of 10 ⁴ A at an operating voltage of 64 kV. Then the power transmitted by a three-phase cable with three such phases is around 2000 MVA. The radii of the inner forward and outer return conductors of a phase are / ?, = 3 ^{· 10 2} or R ₁₁ -— 5 · 10 -m. This results in a peak value of the magnetic field H _s - 94.3 mX for the outward conductor. However, this value is significantly smaller than the value for the lower critical field of niobium W ₁₁ (Nb) <150 mT. The Joule losses per surface area are almost in a wide range

ίο unabhängig von der Anzahl m der Einzelleiter. Diese Verluste sind beispielsweise im Bereich 10<O?i<300 annähernd konstant. Sie betragen für den inneren Hinleiter mit m = 100 Aluminiumdrähten mit einem Restwiderstandsverhältnis von 1000 bei einem Drahtdurchmesser von 2· 10 ^:l m und dem Betriebsstrom von 1O⁺⁴A etwa 2,5 · 10~^:t W/cm-'. 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 Kurzschlußstromes zulässig ist, der etwa 22mal größer als der genannte Betriebsstrom ist. Der Vergleichswert für einen Rohrleiter mit Kupfer als Stabilisierungsmatcrial, der 3 mm Wandstärke und ein Restwiderstandsverhältnis von etwa 100 besitzt, liegt bei etwa 8.ίο regardless of the number m of individual conductors. These losses are approximately constant in the range 10 <O? I <300, for example. For the inner forward conductor with m = 100 aluminum wires with a residual resistance ratio of 1000 with a wire diameter of 2 · 10 ^{: 1} m and an operating current of 10 ⁺⁴ A, they are about 2.5 · 10 ~ ^{: t} W / cm- '. For a switch-off time of 200 msec and a permissible heating of the helium bath required to cool the superconducting material of the conductor by 0.5 K, it follows that a value of the short-circuit current is permissible which is approximately 22 times greater than the stated operating current. The comparison value for a pipe conductor with copper as the stabilization material, which has a wall thickness of 3 mm and a residual resistance ratio of around 100, is around 8.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Tubular phase conductor of a three-phase cable with at least one layer next to each other d arranged individual conductors, each made up of a normally conductive carrier and one applied to it Layer made of superconducting material, characterized in that each carrier (4) of the individual conductors (12, 13) in the longitudinal direction of the conductor is divided into at least two electrically insulated parts (6 to 8), which are twisted about their longitudinal direction.

2. Tubular phase conductor according to claim 1, characterized in that the carrier (4) consists of Made of aluminum, which is coated with a niobium layer (5).

is avoided. For this purpose, the superconducting layers are advantageously made of normally conductive materials Materials, for example copper or aluminum, applied. These normal conducting pipes come the task of stabilizing the superconductor. You should therefore after a possible transition of the Superconductors from the superconducting to the normally conducting state, the so-called quenching, for example in case of overload, take over the short-circuit current. An overdimensioning of the superconductor in such a way that they can withstand the overload current themselves without quenching, separates, among other things, because of the then required large outer diameter and high cost.

Corresponding conductors for three-phase cables are known in various embodiments. On off of the "Elektrotechnische Zeitschrift", Issue B, Vol. 20 (1968), pp. 273 to 277, well-known three-phase

Kabel sees at least one coaxial cable for each phase

Pair of conductors in front. A tubular inner conductor, which is used, for example, to conduct the phase, is in a predetermined position Distance from one to the phase return

The invention relates to a tubular serving tubular outer conductor concentric Phase conductor of a three-phase cable with at least enclosed. A complete Fe'd compensation * in a position of single conductors arranged next to each other, 25 outside of the ladder system is achieved by each of a normally conducting carrier and that the return conductors of the three three-phase phases on an applied layer of superconducting cable beginning are connected to one another. Further consist of the material. the conductors are force-free in this arrangement, and

The technological development of the superconducting power distribution as well as the field distribution to the the materials and the low-temperature technology. 3 ° conductor surfaces are homogeneous. One thus obtains allow the transmission of the highest power with low alternating current losses of the superconductor. There

with such a coaxial arrangement of the individual conductor pairs, the electric and magnetic fields can only occur between the outer and inner conductors, inside the inner conductor and outside the Outer conductor normal conductor of any quantity and conductivity can be arranged without eddy current losses in them develop. This makes it possible to stabilize this superconductor so that after a

Mainly for the transmission of the highest power, at- 4 ° transition of the superconductor to the normally conducting For example up to 100 GW, over long distances in the state a well-cooled, normal conducting stabilization consideration be pulled, so-called hard material is available. sa short superconductor such as niobium-titanium or niobium-tin for connecting current temporarily without any significant use should come. On the other hand, an increase in temperature can be assumed. The electric conductive three-phase cables because of their higher stabilizing effect on normal conductive material operating costs per kilometer compared to the rials, however, is based on such an arrangement DC cables are primarily used for energy over- ground the tubular design of the phase conductors Carrying over shorter distances, limited by the SkineRekt depending on the performance. Furthermore and voltage up to about 100 km, suitable. Their use must include length compensation when the appears to be particularly advantageous for feeding in by means of cables via corrugated bodies. These cable liner Up to high outputs, for example from 1 to voltage, can therefore only be achieved with difficulty in the field GW, from existing AC high-voltage systems.

These coaxial, hollow-cylindrical tubes are used in the metropolitan areas of energy consumption

needs, e.g. B. the cities. the individual phase conductors by individual in conductor

As materials with regard to the occurring 55 longitudinally juxtaposed wires er-alternating current if this is expediently placed, a flexible conductor is obtained. One of those named soft superconductors such as niobium-like embodiment of a low-temperature cable and to a lesser extent lead is also used. It's from Wilkinson in PROC. IEE ", Vol.113, Alternating current losses can be described in niobium, no. 9, September 1966, pp. 1509 to 1521, if the occurring on the leather surface 60 ben. In this known cable, the distance is

superconducting cables. The question arises as to whether this transmission should take place by means of three-phase current or direct current. In the case of direct current operation of the superconducting cable route, no alternating current losses would occur in the superconductors, but rectifier systems for the highest power would have to be developed and used. Therefore, such direct current cables should have the main magnetic field strength below the critical field strength Il _c , which for niobium at 4.2 K is about!, 1 · 10 ⁵ Am. The current then only flows in a fraction of the thickness of the surface layer,

of the individual aluminum or beryllium wires in a so-called transposed arrangement within of the two coaxial layers chosen so that each of the wires has an even amount of the

so that one takes over with very little superconducting layer 65 current,

thick can get along. As ladder forms come from the German Auslegeschrift 18 14 036 ist

cylindrical or hollow cylindrical designs are also known that with a Ticftemperature cable

nptracht. thus an uneven current distribution around the several individual conductors in several layers