DE2340228A1

DE2340228A1 - Elektrische vielschichtisolierung fuer tiefgekuehlte kabel, insbesondere supraleitende drehstromkabel

Info

Publication number: DE2340228A1
Application number: DE19732340228
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Jacobsen; Peter Massek; Guenther Matthaeus; Peter Dr Penczynski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-08-08
Filing date: 1973-08-08
Publication date: 1975-03-06
Also published as: FR2240508A1; IT1017958B; GB1450975A; CA1023021A; DE2340228B2; JPS5045285A; US3959549A

Description

SIEKEKS AKTimfGESBLLSCHICPT ^{# ##} Erlangen, den 6.8.1973 Berlin und München Verner-von-Siemens-Str.50

Belegexemplar Darf nicht geändert werden

Unser Zeichens VPA 73/7591 Slm/Koe

Elektrische Vielschichtisolierung für tiefgekühlte Kabel, insbesondere supraleitende Drehstromkabel

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Vielschichtisolierung mit Isolationsfolien, deren dielektrischer

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Verlustfaktor kleiner als 5·10 ist, für tiefgekühlte Kabel, insbesondere für supraleitende Drehstromkabel mit koaxialer Leiteranordnung.

Bei den bisher vorgeschlagenen Leitersystemen von supraleitenden Drehstromkabeln ist es notwendig, Y/irbelstromverluste in den Kabelteilen zu vermeiden, die im Bereich der Verdampfungstemperatur des flüssigen Heliums von etwa 4 K angeordnet sind. Es werden deshalb Ausführungsformen bevorzugt, bei denen elektromagnetische Felder sich nur zwischen den Supraleitern auswirken. Dazu wird beispielsweise jedem der rohrförmig ausgebildeten Phasenleiter ein koaxialer Rückleiter zugeordnet, wobei die drei Phasen des Drehstromkabels am Kabelende verkettet werden. Die drei Rückleiter haben damit praktisch gleiches Potential.

Für solche Koaxialanordnungen werden als Leiter beispielsweise eine oder mehrere Lagen aus einzelnen stabilisierten supraleitenden Drähten vorgesehen. Diese Lagen aus den supraleitenden Drähten können zusätzlich noch so verdrillt sein, daß sie eine von der Temperatur unabhängige Länge des Kabels beim Abkühlen auf die Tieftemperatur gewährleisten. Die konzentrische Anordnung der supraleitenden Leiterlagen untereinander wird jeweils durch eine rohrförmig ausgebildete elektrische Isolationsschicht zwischen den Lagen ermöglicht.

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Die Güte der dielektrischen Eigenschaften dieser elektrischen Isolationsschicht eines supraleitenden Drehstromkabels ist von großer Bedeutung für seine Übertragungsfähigkeit und damit für seine Wirtschaftlichkeit. Denn der Leiterstrom ist in einem supraleitenden Kabel, dessen supraleitendes Material beispielsweise Niob ist, durch die kritische Oberflächenflußdichte nach oben hin begrenzt. Bei einem im allgemeinen fest vorgegebenen Kabeldurchmesser kann deshalb der Leiterstrom einen bestimmten Wert nicht überschreiten, ohne daß die Gefahr eines Übergangs in den normalleitenden Zustand in dem supraleitenden Material bestünde. Zur Übertragung hoher elektrischer Leistungen muß deshalb ein supraleitendes Drehstromkabel für möglichst hohe Übertragungsspannungen ausgelegt sein.

Neben der hohen elektrischen Spannungsfestigkeit bei tiefen Temperaturen muß die Isolation eines supraleitenden Drehstromkabels aber auch einen sehr kleinen dielektrischen Verlustfaktor tan/ aufweisen, mit

tan<r = ,

ε ο

wobei V, die dielektrischen Verluste, U die Betriebsspannung, ω die Kreisfrequenz und C»C die Kapazität des Kabels bedeuten. Sin sehr kleiner, mit den aus der Kabeltechnik beispielsweise bei Hochspannungsölkabeln bekannten Isolationsmaterialien kaum" zu erreichender Paktor tan<f von etwa 5*10 ist deshalb erforderlich, weil die dielektrischen Verluste V, bei einem supraleitenden Kabel durch Kältemaschinen abgeführt werden müssen, die nur geringe Wirkungsgrade aufweisen. Beispielsweise werden für eine Abführung an die Atmosphäre der bei Heliumtemperatur auftretenden Verluste in der Größenordnung von 1 W etwa 400 W mit den Kältemaschinen benötigt. Deshalb scheidet eine Verwendung von Papierisolation mit einem Verlustfaktor von tan/* von einigen 10 wie in der ülkabeltechnik aus.

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Aus "Elektrotechnische Zeitschrift", Ausgabe A, Bd. 92 (1971)., Seite 740 bis 745 sind als Materialien für die Isolation zwischen konzentrischen Leiterlagen heliumgetränkte Folienisolierungen bekannt, bei denen ala Folienwerkstoffe beispielsweise Polyäthylen, Polytetrafluoräthylen oder.Polyfluoräthylenpropylen verwendet werden. Eine Isolierung aus einzelnen Folienschichten, die sich darüber hinaus mit dem Kühlmittel des Kabels tränken können, ist in tiefgekühlten Kabeln zweckmäßiger als eine Isolierung aus Kunststoffvollmaterial, deren thermische Kontraktion sich stark von der der metallischen Kabelleiter unterscheidet. Ferner haben diese kühlflüssigkeitsgetränkten Folienisolierungen oft eine höhere Durchschlagsfestigkeit als die reinen Kühlflüssigkeiten, und ihre dielektrischen Verlustwerte sind verhältnismäßig gering. Sie liegen nach Angaben des "Report BNL 50 325", Brookhaven National Laboratory, März 1972, bei

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etwa 2*10 . Jedoch ist die Dielektrizitätskonstante € dieser Kunststoffe verhältnismäßig hoch. Für Polyäthylen liegt ε beispielsweise bei ungefähr 2,25· Hierdurch werden auch höhere dielektrische Verluste bewirkt.

Darüber hinaus besteht eine Hauptschwierigkeit beim Betrieb eines solchen tiefgekühlten Kabels in der unterschiedlichen Schrumpfung der verwendeten Materialien. Die Schrumpfung beträgt bei den Metallen der Leiter etwa 2 bis 4 Promille, während sie bei den.vorgenannten Kunststoffen bis zu einige Prozente ausmacht. Auf eine starre, zwischen den Leiterschichten angeordnete Kunststoffisolierung wird somit ein starker axialer Zug bei einem Abkühlen des Kabels ausgeübt. Da aber bei Polyäthylen die Adhäsionskräfte zweier aneinanderliegender Folien groß sind, besteht die Gefahr, daß ein mit solchen Folien gewickeltes Folienpaket zerstört wird, indem es in Folge der auf es einwirkenden großen Kräfte an einer oder mehreren Stellen auseinandergerissen wird.

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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 490 320 sind bereits geschichtete Isolierungen für Hochspannungszwecke aus Kunststoffolienschichten mit zwischengefügten, für ein flüssiges Tränkmittel, beispielsweise ein öl, durchlässige Schichten aus Bandvliesen bekannt, deren Dielektrizitätskonstante etwa gleich der der Kunststoffolien ist. Diese so ausgebildeten Schichten haben jedoch die Aufgabe, eine einwandfreie Tränkung der Isolierung zu gewährleisten und in ihr einen möglichst gleichmäßigen Spannungsabfall zu ermöglichen.

Dagegen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Kunststoffisolierungen zu schaffen, die eine für einen Betrieb bei kryogenen Temperaturen ausreichende mechanische Dehnbarkeit aufweisen, ohne daß ihr dielektrischer Verlustfaktor gegenüber einer Kunststoffvollisolierung wesentlich verschlechtert wird.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 490 320 bekannten Maßnahmen zur Lösung dieser Aufgabe geeignet sind. Diese Aufgabe wird somit erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Vielschichtisolierung für tiefgekühlte Kabel der eingangs genannten Art jeweils/zvfeiiiag^n aus Isolationsfolien eine Lage aus einem Spinnvlies aus Niederdruckpolyäthylenfasern angeordnet ist.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die efazelnen Lagen dieser Vielschichtisolierung auch bei kryogenen Temperaturen gegeneinander verschiebbar ausgebildet sind, so daß damit die auf die Vielschichtisolierung in Achsrichtung des Kabels wirkenden Kräfte soweit verringert werden, daß eine Zerstörung der Vielschichtisolierung ausgeschlossen ist. Ferner kann diese Vielschichtisolierung gleichmäßig von dem Kühlmittel des Kabels getränkt werden, so daß auch keine Hohlräume in der Isolierung entstehen können, die ihre Spannungsfestigkeit herabsetzen würden.

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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigt die Figur einen schematischen Längsschnitt durch einen koaxialen Phasenleiter eines supraleitenden Drehstromkabels mit der Vielschichtisolierung gemäß der Erfindung.

Der in der Figur dargestellte koaxiale Phasenleiter besteht aus zwei konzentrischen rohrförmigen Leiterlagen, die als Hin- und Rückleiter 2 bzw. 3 einer Drehstromphase dienen können. Hin- und Rückleiter 2 bzw. 3 bestehen beispielsweise aus einer Vielzahl von einzelnen supraleitenden Drähten 4 bzw. 5j die mit einem normalleitenden Metall, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, stabilisiert sein können. Von den Drähten 4 und 5 sind in der Figur nur einige wiedergegeben. Die Anordnung dieser einzelnen, nebeneinander auf einem Mantel eines rohrförmigen Stützkörpers mit Innendurchmesser R. und Außendurchmesser R liegenden Drähte 4 bzw. 5 in den

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beiden Leiterlagen des Hin- und Rückleiters 2 bzw. 3 läßt sich dabei so vornehmen, daß der Gesamtleiter unabhängig von Temperaturänderungen seine Länge konstant beibehält. Ein entsprechendes Kabel ist beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 1 814 036 bekannt.

Zwischen dem Hin- und Rückleiter 2 bzw. 3 ist eine Vielschichtisolierung 6 gemäß der Erfindung angeordnet. Sie besteht aus einer Vielzahl einzelner sehr dünner Lagen aus Kunststoffolien 7, von denen in der Figur nur drei Lagen 9 bis 11 übertrieben dick dargestellt sind. Vorzugsweise ist für diese Lagen als Kunststoffmaterial Niederdruckpolyäthylen geeignet; denn Niederdruckpolyäthylen besitzt einen kleinen dielektrischen Verlustfaktor tan^ von ca. 2·10" . Neben Niederdruckpolyäthylen, das gegenüber Hochdruckpolyäthylen eine bessere Elastizität bei kryogenen Temperaturen aufweist, können auch andere Kunststoffe wie beispielsweise PoIy-

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propylen oder Polytetrafluoräthylen verwendet werden. Denn im. allgemeinen besitzen diese unpolarisierten Kunststoffe geringe dielektrische Verlustfaktoren tan<f von einigen 10"^. Zwischen jeweils zwei der Lagen 9 bis 11 aus Niederdruckpolyäthylenfolien ist eine Lage 12 bzw. 13 aus Spinnvliesen 15 angeordnet, die erfindungagemäß aus reinen Niederdruckpolyäthylenfasern bestehen. Die einzelnen Lagen der Kunststofffolien 7 bzw. Spinnvliese 15 sind in Achsrichtung dee Kabele in regelmäßige. Abstände unterteilt, wie durch Spalte 17 in der Figur angedeutet ist. Die Ausbildung dieser Spalte 17 erfolgt beispielsweise dadurch, daß man mit bandförmigen Kunststoffolien 17 bzw. Kunststoffspinnvliesen 15 die einzelnen Lagen so wickelt, daß sie jeweils eine Schraubenlinie um den Phaseninnenleiter 2 bzw. die zu bewickelnde Lage bilden, wobei die Ganghöhe der Schraubenlinie etwas größer als die Breite des 3andes ist. Die Wickelrichtungen einzelner Lagen können sich darüber hinaus überkreuzen, sofern dabei in der Vielschichtisolierung eine Ausbildung von größeren Hohlräumen, die sich mit dem Kühlmittel füllen, vermieden wird.

Der Hin- und Rückleiter 2 bzw. 3 iait der zwischen ihnen liegenden Vielschichtisolierung 6 sind auf einem in der Figur nicht näher ausgeführten Isolationskörper 20 aufgebracht. Dieser zweckmäßig elastische Isolationskörper 20 kann beispielsweise ein hohlzylindrischer, spiralförmig ausgebildeter Kunststoffkörper sein. Zwischen dem Hin- bzw. Rückleiter 2 bzw. 3 und der Vielschichtisolierung 6 kann ferner eine Potentialfolie 21 bzw. 22 liegen, die bei Leitern aus einzelnen, nebeneinanderliegenden Drähten 4 bzw. 5 zur Leiterglättung dient. Bei einer Verwendung von Leiterrohren erübrigen sich diese Potentialfolien 21 und 22.

Beim Abkühlen des Phasenleiters kann sich die Vielschichtisolierung 6 gemäß der Erfindung aufgrund ihrer stückweise zusammengesetzten Lagen 9 bis 13 in Achsrichtung des Leiters

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vorteilhaft etv/as auseinanderziehen, da die zwischen den einzelnen Lagen 9 bis 11 angeordneten Niederdruckpolyäthylenspinnvliese 15 eine gegenseitige Verschiebung der einzelnen Lagen der Isolierung erleichtern. Es lassen sich somit die unterschiedlichen Schrumpfungen zwischen den metallischen Lagen des Hin- bzw. Rückleiters 2 bzw. 3 und der Vielschichtisolierung 6 aus Kunststoff ausgleichen, ohne daß von den Leiterenden her auf die Vielschichtisolierung 6 ein zu starker Zug ausgeübt wird, der zu einer Zerstörung der Vielschichtisolierung 6 führen könnte. Ferner behält auch der Leiter seine erwünschte Biegsamkeit bei.

Ein Phasenleiter gemäß eines Ausführungsbeispiels, dessen Hin- und Rückleiter aus einzelnen,nebeneinanderliegenden niobüberzogenen Aluminiumdrähten von etwa 3*10 m Durchmesser bestehen, kann beispielsweise für eine Übertragung eines Betriebsstromes von 10 A bei einer Betriebsspannung von 64 KV_eff ausgelegt sein. Die von einem supraleitenden Drehstromkabel mit drei solcher Phasen übertragene Leistung beträgt dann etwa 2000 MVA. Die Radien des inneren Hin- und äußeren Rückleiters einer solchen Phase sind beispielsweise

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R = 3.10 bzw. R = 5·10 m. Die zwischen ihnen liegende etwa 2 cm dicke, rohrförmige Vielschichtisolierung ist aus etwa 100 Lagen aus Niederdruckpolyäthylenfolien aufgebaut. Jede dieser Folien ist etwa 0,1 mm dick und besitzt eine Spannungsfestigkeit von minimal 14 kV, wenn sie von flüssigem Helium benetzt wird. Zwischen jeweils zwei dieser Folien ist ein Spinnvlies aus 100 $-igen Niederdruckpolyäthylenfasern von etwa 0,1 mm Dicke angeordnet. Jedes Spinnvlies, das von dem flüssigen Helium des Kabels getränkt wird, besitzt eine Spannungsfestigkeit von minimal 2,5 kV. Die Vielschichtisolierung aus jeweils 100 Lagen der Folien und 100 Lagen der Spinnvliese ist durch ein schraubenförmiges, in Leiterlängsrichtung vorgenommenes Wickeln der einzelnen Lagen hergestellt. Die Breite der bandförmigen Folien bzw. Spinn-

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vliese beträgt etwa 2 bis 4 cm. Die einzelnen Lagen sind deshalb in Achsrichtung des Leiters in etwa 2 bis 4 cm lange Abschnitte unterteilt. Die bei einer Abkühlung auf Temperatur des flüssigen Heliums auftretenden unterschiedlichen Schrumpfungen zwischen der Vielschichtisolierung und de» metallischen Hin- und Rückleiter werden durch das Dehnungsvermögen der Vielschichtisolierung aufgefangen. Sine ausreichende Flexibilität des gesamten Leiters wird darüber hinaus auch durch die verhältnismäßig dünne Ausbildung der Folien und Spinr.vlieae gewährleistet. Ferner durchdringt das zur Kühlung der niobüberzogenen Aluminiumdrähte dienende Helium vorteilhaft die Vielschichtisolierung. Eine gleichmäßig hohe Spannungafeetigkeit in der Vielschichtisolierung wird hierdurch bewirkt.

6 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

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Patentansprüche

C),

/Elektrische Vielschichtisolierung mit Isolationsfolien, (Teren dielektrischer Verlustfaktor kleiner als 5· 10 ist, für tiefgekühlte Kabel, insbesondere für supraleitende Drehstromkabel mit koaxialer leiteranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen zwei Lagen (9 bis 11) aus Isolationsfolien (7) eine Lage (12 bzw. 13) aus einem Spinnvlies (15) aus Niederdruckpolyäthylenfasern angeordnet iat.
2. Elektrische Vielschichtisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Lagen (9 bis 11) aus Isolationsfolien (7) etwa gleich der Dicke der Lagen (12, 13) aus Spinnvliesen (15) ist. -
3. Elektrische Vielschichtisolierung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsfolien (7) aus einem unpolarisierten Kunststoff bestehen.
4. Elektrische Vielschichtisolierung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsfolien (7) aus ITi ede rdruckp olyathyl en bestehen.
5. Elektrische Vielschichtisolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Tränkung mit einem Kühlmittel des tiefgekühlten Kabels.
6. Verfahren zur Herstellung eines koaxialen Phasenleiters rait einer zwischen einem Phaseninnen- und einem Phasenaußenleiter angeordneten Vielschichtisolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Phaseninnenleiter (2) lagenweise abwechselnd und so wendelförmig mit einer bandförmigen Isolationsfolie (7) bzw; einem band-

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förmigen Spinnvlies (15) umwickelt wird, daß in den einzelnen Lagen (9 bis 13) jeweils zwischen benachbarten Windungen der bandförmigen Isolationsfolie (7) bzw. des Spinnvlieses (15) ein schmaler Spalt (17) ausgebildet wird.

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