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Tiefgekühltes elektrisches Kabel mit einer Längenkompensationseinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Längenkompensationseinrichtung für ein elektrisches
Kabel mit einem Stützkörper aus einem Isolationsmaterial und mindestens einer auf
dem Stützkörper aufgebrachten Leiterlage aus auf Tieftemperatur zu kühlenden Metalldrähten,
insbesondere supraleitenden Drähten, die schraubenlinienförmig auf dem Stützkörper
gewickelt sind mit einem Steigungswinkel 0 zur Kabelachse und einem Verhältnis k
des Ausdehnungskoeffizienten der Metalldrähte zu dem des Isolationsmaterials des
Stützkörpers.
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Als elektrische Leiter für tiefgekühlte Kabel können elektrisch normalleitende
Metalle hoher Reinheit, beispielsweise hochreines Aluminium, verwendet werden. Da
der ohmsche Widerstand dieser Metalle bei tiefen Temperaturen wesentlich kleiner
ist als bei Raumtemperatur, können durch eine Kühlung solcher Leiter die elektrischen
Verluste im Kabel stark herabgesetzt werden.
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Besonders geeignet für derartige Kabel sind supraleitende Metalle,
deren ohmscher Widerstand bei Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der vom jeweils
verwendeten Supraleitermaterial abhängigen kritischen Temperatur, der sogenannten
Sprungtemperatur, praktisch verschwindet. Als Supraleitermaterialien kommen dabei
insbesondere die Metalle Niob und Blei und sogenannte Hochfeldsupraleitermaterialien
in Frage. Als Hochfeldsupraleitermaterialien sind beispielsweise supraleitende Legierungen
aus Niob und Zirkon oder Niob und Titan, gegebenenfalls mit Zusätzen weiterer Stoffe,
und intermetallische supraleitende Verbindungen, wie Niob-Zinn, bekannt. Zur sogenannten
Stabilisierung werden die Supraleiter vorteilhaft noch mit elektrisch normalleitenden
Metallen, wie
Kupfer oder Aluminium, gut elektrisch leitend und
wärmeleitend verbunden. Beispielsweise können die Supraleiter in diese elektrisch
normalleitenden Metalle eingebettet sein.
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Zur Kühlung von Leitern aus elektrisch normalleitendem Metall eignen
sich insbesondere Flüssigkeiten mit einer Siedetemperatur unterhalb von 150 K, wie
beispielsweise flüssiger Wasserstoffs flüssiger Stickstoff oder auch flüssige Erdgase
sowie kalte Gase entsprechender Temperaturen. Zur Kühlung von Supraleitern kommt
praktisch nur flüssiges oder superkritisches Helium, für NbGeAl oder Nb3Ge gegebenenfalls
auch Wasserstoff in Frage.
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Solche Kabel zur Gleich- oder Wechselstromübertragung lassen sich
vorteilhaft flexibel ausbilden. Sie enthalten dann beispielsweise in ihrem Inneren
einen hohlen, flexiblen Stützkörper, auf dem eine oder mehrere Lagen aus draht-
oder bandförmigen Leitern aufgebracht sind. Ein entsprechendes Kabel mit mehreren
konzentrisch zur Kabelachse angeordneten Leiterlagen ist aus der deutschen Auslegeschrift
1 814 036 bekannt.
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Dieses Kabel ist mit einem Isolierstoffkern als Stützkörper versehen,
auf dem mehrere, durch bandförmiges Isoliermaterial untereinander beabstandete Leiterlagen
angeordnet sind. Die Leiterlagen bestehen aus elektrisch leitfähigen Metalldrähten,
die mit einem supraleitenden Material überzogen sind. Die Metalldrähte sind schraubenlinienförmig
gewickelt, und zwar mit einem Winkel e zur Kabelachse, der gleich arc ein ist. Dabei
bedeutet k das Verhältnis des Ausdehnungskoeffizienten der Metalldrähte zu dem des
Isoliermaterials des Stützkörpers oder der Isolationsschicht zwischen zwei benachbarten
konzentrischen Leiterlagen. Mit dieser Wahl des Steigungswinkels der Metalldrähte
wird vermieden, daß aufgrund der unterschiedlichen Schrumpfungskoeffizienten des
Isolationsmaterials
und der Metalldrähte eine unterschiedliche
Längenänderung bei Abkühlung des Kabels auftritt. Der Steigungswinkel e der Metalldrähte
bezüglich der Kabelachse kann beispielsweise bei Verwendung von Aluminiumdrähten
ungefähr 250 betragen, wenn das verwendete Isoliermaterial bei einer Temperaturabnahme
von 300 K auf 25 K eine Schrumpfung von 2 % aufweist. Der Aluminiumdraht schrumpft
bei dieser Temperaturänderung gleichzeitig um etwa 4,2 0.
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Eine derartige, vollständige Längenkompensation für ein flexibles
Kabel mit supraleitenden Einzeldrähten, speziell für -einen- flexiblen-Phasenleiter
eines Wechselstromkabels, kann jedoch bei Verwendung von Leiter-und Isoliermaterialien
mit anderen Schrumpfungswerten, insbesondere bei Abkühlung auf die Temperatur des
flüssigen Heliums, mit Schwierigkeiten verbunden sein. Diese Schwierigkeiten können
zu Einschränkungen bei der Auswahl des Träger- und des Isoliermaterials führen.
Bei der Verwendung eines Niob-Aluminiumleiters mit einer Schrumpfung von 3,2 9dein
Verbindung mit dem sehr stark schrumpfenden Kunststoff Polyäthylen, das eine Schrumpfung
von 2 bis 2,5 % aufweist, ergibt sich ein Steigungswinkel von 20 bis 25° . Dieser
Winkel ist auch mit den bekannten Kabelwickelmaschinen verhältnismäßig leicht zu
erreichen. Außer bei Polytetrafluoräthylen oder Propylen, die nahezu den gleichen
Schrumpfungskoeffizienten wie Polyäthylen besitzen, aber verhältnismäßig kostspielig
sind, haben Jedoch alle weiteren verwendbaren Kunststoffe und auch Papiere eine
geringere Schrumpfung.
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Eine Vergrößerung des Steigungswinkels e zu einer vollständigen Längenkompensation,
der sich bei Verwendung yon Materialien mit geringerer Schrumpfung als bei Verwendung
von massivem Polyäthylen ergibt, hat aber zur Folge, daß der elliptische Drahtquerschnitt
des Supraleiters bei einem Schnitt senkrecht zur Leiterachse an Exzentrizität zunimmt.
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Damit wird bei einem vorgegebenen Durchmesser der in einzelne Drähte
aufgelösten Leiterlage die Anzahl der Drähte reduziert und somit die Strorntragfähigkeit
des Leiters 9 insbesondere des Phasenleiters eines Wechselstromkabels 9 verringert.
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Ferner nimmt dann auch die Induktivität des Wechselstromt phasenleitere
und damit auch das magnetische Feld im Inneren des Kabels, d. h. innerhalb des Stiitzkörpers,
zu, Hierdurch erhöht sich der induktive Widerstand und damit der induktive Spannungsabfall
längs des Kabels. Auch können dann in metallischen Meßsonden oder bei einer Heliumzuleitung
Wirbelströme erzeugt werden. Darüber hinaus wird mit einer Vergrößerung des Steigungewinkele
auch die Wickeltechnik erschwert.
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Zur Bewicklung des Kabels wird deshalb für die Drähte im allgemeinen
ein Steigungswinkel, beispielsweise von maximal 25 vorgegeben. Hierdurch ist die
Auswahl der Isolationsmaterialien stark eingeschränkt, da zu einer vollständigen
Längenkompensation dann nur Materialien mit einem verhältnismäßig großen Schrumpfungswert,
der beispielsweise größer als 2 % ist, verwendet werden können.
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Ferner hat sich gezeigt, daß die Werte für die Schrumpfung bei gleichem
Ausgangsmaterial, jedoch verschiedenen HerstellungeZ oder Verarbeitungsverfahren
sehr unterschiedlich sind. So hat z. B. Niederdruckpolyäthylenband mit einer Stärke
von 100 /um bei einer Abkühlung auf Tieftemperatur eine Schrumpfung von etwa 2,65
, während Niederdruckpolyäthylenband mit einer Stärke von 45 /um nur 1,4 % Schrumpfung
aufweist. Massives Niederdruckpolyäthylen hingegen schrumpft um 2,2 %. Werden jedoch
Polyäthylenvliese vorgesehen, die vorteilhaft zur Isolation zwischen konzentrischen
Leiterlagen von Phasenleitern eines Wechselstromkabels verwendet werden, so liegt
die Schrumpfung dieses Materials bei Abkühlung auf Tieftemperatur etwa zwischen
0,75 und 0,95 %.
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Es hat sich ferner herausgestellt, daß von Niederdruckpolyäthylen
mit seinen für eine vollständige Längenkompensation günstigen großen Schrumpfungswerten
hohe Zugkräfte beim Abkühlen auf die drahtförmigen Leiter ausgeübt werden. Polyäthylenvliese
hingegen weisen gute Gleiteigenschaften zwischen den drahtförmigen Leitern und dem
Kunststoffmaterial auf. Es ergeben sich somit geringere Zugkräfte beim Abkühlen;
der zu einer vollständigen Längenkompensation erforderliche Steigungswinkel 0 beträgt
jedoch für dieses Material 410.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die bekannte Längenkompensationseinrichtung
für ein elektrisches Kabel, insbesondere ein supraleitendes Drehstromkabel mit konzentrischen
Leiterlagen, zu verbessern, indem die aufgezeigten Schwierigkeiten vermieden, zumindest
aber verringert werden.
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Diese Aufgabe wird für eine Längenkompensationseinrichtung der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß für eine Kabelstrecke vorgegebener Länge der Steigungswinkel
z kleiner als arc sin W gewählt ist und daß in einem Kabelteilstück den Metalldrähten
bei Raumtemperatur jeweils die Form einer Schlaufe solcher Länge gegeben ist, daß
sie bei Tieftemperatur zumindest annähernd gestreckt am Stützkörper anliegen.
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Die bei Abkühlung der Kabelstrecke auf Grund des kleineren Steig-ngswinkels
n verbleibenden axialen Dehnungsunterschiede zwischen dem Stützkörper und der ihm
zugeordneten Leiterlage lassen sich somit vollständig kompensieren.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß der Steigungswinkel
der Drähte nach fertigungstechnischen Gesichtspunkten vorgebbar ist. Darüber hinaus
kann für den Stützkörper ein Isolationsmaterial verwendet werden, das ein verhältnismäßig
reibungsarmes Gleiten der Drähte der Leiterlage auf dem Stützkörper ermöglicht.
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Falls konzentrische Leiterlagen9 beispielsweise für den Phasenleiter
eines supraleitenden Drehstrom- oder Wechselstromkabels, vorgesehen sind9 die durch
eine hohlzylinderförmige Isolationsschicht voneinander getrennt sind, bildet diese
Isolationsschicht für die auf ihr angeordnete Leiterlage einen Teil des Stützkörpers.
Für diese Isolationsschicht kann vorteilhaft ein Material mit einem sehr geringen
dielektrischen Verlustfaktor gewählt werden, das ebenfalls ein reibungsarmes Gleiten
der Drähte der konzentrischen Leiterlagen gewährleistet.
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Nach einer weiteren Ausbildung Jer Längenkompensationseinrichtung
gemäß der Erfindung können Mittel zur Fixierung der gestreckten Metalldrähte auf
dem Stützkörper längs des Kabelteilstücks bei Tieftemperatur vorgesehen sein. Die
Mittel zur Fixierung können beispielsweise Ringe sein, die über die Leiterlagen
aus den gestreckten Metalldrähten geschoben werden. Es lassen sich somit Leiterbewegungen,
die bei Verwendung von supraleitenden Drähten zu deren Normalleitung führen können,
ausschließen.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen
gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen9 in deren
Figur schematisch eine Ausbildungsmöglichkeit eine LängeAkompensationse inri chtung
gemäß der Erfindung veranschaulicht ist.
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In der Figur ist in einem schematischen Längsschnitt ein flexibles,
supraleitendes Kabel mit einer LängeAkompensationseinrichtung gemäß der Erfindung
teilweise angedeutet.
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Die auf der linken Seite bezüglich einer Achse A angeordnete Hälfte
soll sich dabei auf Raumtemperatur von etwa 300 K befinden, während die rechte Hälfte
auf Tieftemperatur, beispielsweise auf 4 K abgekühlt sein soll.Eine mit 2 bezeichnete
Kabelstrecke vorgegebener Länge dient beispielsweise als Innenleiter eines Drehstromphasenleiters.
Sie
enthält einen Stützkörper 3, der beispielsweise aus einer Kunststoffspirale
besteht. Er kann ebenfalls ein Kunststoffwellschlauch oder ein anders geformter,
flexibler Kunststoff-Stützkörper sein. Um diesen Stützkörper 3 ist eine Leiterlage
4 aus einzelnen, auf der Mantelfläche des Stützkörpers in Umfangsrichtung nebeneinanderliegenden
supraleitenden Drähten 5 angeordnet. Die supraleitenden Drähte, beispielsweise Aluminiumdrähte
mit einer supraleitenden Niob-Schicht, sind untereinander isoliert und mit einem
Steigungswinkel e gegenüber der Kabelachse A um den Stützkörper 3 gewickelt.
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Sie werden beispielsweise entweder durch aufgebrachte Folienbänder
der Isolierung oder, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, durch Bandagebänder 6 auf
dem Stützkörper 3 gehalten. Die Bandagebänder sind mit Öffnungen 7 versehen, die
an einzelnen Stellen einem Kühlmittel den direkten Zutritt zu den supraleitenden
Drähten 5 ermöglichen.
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Ein in der Figur 8 bezeichnetes Kabelteilstück bildet beispielsweise
ein Endstück des supraleitenden Kabels und ist mit einem normalleitenden Anschlußstück
9 verbunden. Im Kabelteilstück 8 ist der Stützkörper als starres Stützrohr 10 ausgebildet,
auf dem die supraleitenden Drähte, von denen in der Figur zwei diametral angeordnete
Drähte 11 und 12 gezeigt sind, parallel zur Richtung der Kabelachse A geführt sind.
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Diese Drähte 11 und 12 enden an einer gut- und normalleitenden, ringförmigen
Metallplatte 13 des normalleitenden Anschlußstücks q. Mit dieser Platte 13 sind
ferner Normalleiterlitzen 14 elektrisch leitend verbunden, beispielsweise angelötet.
Sie stellen Teile einer Stromzuführung von Raumtemperatur auf Tieftemperatur dar
und können sich im Gasstrom eines verdampften Kühlmittels befinden.
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Mit der ringförmigen Metallplatte 13 des Anschlußstücks 9 ist ebenfalls
das starre Stützrohr 10, das zum Kühlmitteldurchtritt noch durchbrochen sein kann,
fest verbunden.
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Die supraleitenden Drähte 5 der Leiterlage 4 sind nur bis zur Verbindungsstelle
15 zwischen der supraleitenden Kabelstrecke 2 und dem Kabelteilstück 8 mittels der
Bandagebänder 6 auf dem Stützkörper 3 gehalten. Gemäß der Darstellung im linken
Teil der Figur sind diese Drähte in dem Kabelteilstück 8 bei Raumtemperatur jeweils
zu einer Schlaufe 16 gebogen. Diese Schlaufe ist in der Figur nur für einen einzigen
Leiter 12 veranschaulicht. Das oberste Stück des Leiters 12 ist bis zur Anschlußplatte
13 dds Anschlußstücks 2 durch aneinanderliegende Ringe 17 und 18 auf das Stützrohr
10 gepreßt und dadurch fixiert.
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An dem unteren, der Kabelstrecke 2 zugewandten Ring 18 ist mindestens
eine Schubstange 19 befestigt, die durch entsprechende Bohrungen der Ringe 17 sowie
der Anschlußplatte 13 parallel zur Kabelachse A geführt ist. Zur Abdichtung der
Durchführung durch diese Anschlußplatte 13 kann auf der Seite des Anschlußstücks
2 die Schubstange über einen Wellkörper 20 abgedichtet sein.
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Die Länge der Schlaufen 16 wird bei Raumtemperatur so bemessein, daß
der bei Abkühlung des Kabels auftretende axiale Längenunterschied zwischen der Leiterlage
4 aus den Drähten 5 und deren Stützkörper 3 ausgeglichen wird. Dieser Längenunterschied
ergibt sich, weil die supraleitenden Drähte 5 mit einem Stiegungewinkel 9' gewickelt
sind, der kleiner als arc sin'ist. Dabei stellt k das Verhältnis zwischen den Ausdehnungskoeffizienten
des Leitermaterials und dem des Isolationsmaterials des Stützkörpers 3 dar.
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Bei einem Abkühlungsvorgang werden nun die Schlaufen 16, die der noch
verbleibenden Verkürzung des Leiters bei der Schrumpfung entsprechenD abgebaut,
bis die supraleitenden Drähte 12 straff gespannt sind. Diese straffe Spannung ist
im rechten Teil der Figur durch die supraleitenden Drähte 11 veranschaulicht.
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Diese Drähte 11 sind im supraleitenden Zustand gegen Bewegungen,
die
beispielsweise durch das elektromagnetische Peld erzeugt werden können, in hohem
Maße empfindlich. Derartige Leiterbewegungen führen nämlich zur Erhöhung der Leiterverluste
bzw. zum Normalleitendwerden der Supraleiter. Deshalb ist vorgesehen, daß die gespannten
Leiterenden nach erfolgter Abkühlung auf Tieftemperatur in ihre Lage auf dem Stützrohr
10 fixiert werden können. Die Schubstangen 19 können deshalb in Pfeilrichtung, wie
in der Figur veranschaulicht ist, betätigt werden und schieben die Ringe 17, 18
über den jetzt gestreckten supraleitenden Draht 11, der somit etwa bis zur Verbindungsstelle
15 zwischen dem Kabelteilstück 8 und der supraleitenden Kabelstrecke 2 fixiert wird.
Um einen definierten, gleichmäßigen Abstand der Ringe 17 untereinander zu gewährleisten,
können Abstandselemente 21, beispielsweise Schrauben, Hülsen, Drähte oder Winkelstücke
aus Kunststoff dienen, die beim Bewegen der Schubstange 19 nach unten die über dem
unteren Ring 18 liegenden Ringe 17 in einem vorgegebenen Abstand nachfolgen lassen.
In der Figur ist nur eines dieser Abstandselemente 21 zwischen dem untersten der
Ringe 17 und dem ihm benachbarten Ring 18 angedeutet. Die Betätigung der Schubstangen
kann manuell oder pneumatisch in konventioneller, bekannter Weise durch das Anschlußstück
9 hindurch erfolgen.
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Bei einer Verwendung eines Wellschlauchs als Stützkörper 3 kann dieser
bis zur Anschlußplatte 13 des Anschlußstücks 9 hochgezogen und gegen Knicken mittels
eines Kunststoffrohrs in seinem Inneren zu einem starren Stützrohr 10 versteift
werden.
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Neben der in der Figur dargestellten Ausführungsform einer Längenkompensationseinrichtung
mit innerem Stützkörper und äußeren Leitern kann anstelle des starren Stützrohrs
10 auch ein äußerer, hohlzylinderförmiger Kunststoffkörper verwendet werden, auf
dessen Innenseite die Leiter 11 bzw. 12 und die Ringe 17 und 18 angeordnet sind.
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Perner können auch anstelle der Schubstange 19 zwei diametral zueinander
liegende Stangen verwendet werden, die etwa der Schubstange 19 für den Leiter 11
entsprechen und die jeweils in einer Öffnung der Anschlußplatte 13 gelagert und
mit Halbringen versehen sind. Diese Schubstangen lassen sich scherenartig auseinander
und zueinander bewegen und können mittels der an ihnen befestigten Halbringe eine
Fixierung der Leiter 11 bewirken.
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In der Figur ist eine Längenkompensationseinrichtung gemäß der Erfindung
im Zusammenhang mit einem Anschlußstück 9 eines Kabelendverschlusses veranschaulicht.
Diese Längenkompensationseinrichtungen sind in entsprechenden Anordnungen auch bei
Muffen möglich, wenn man die supraleitende Kabelstrecke 2 und das Kabelteilstück
8 spiegelbildlich an die Platte 13 anbringt.
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Hierbei vereinfacht sich die Anordnung durch Wegfall der dann nicht
erforderlichen Dehnungskörper 20 für die Schubstangen 19.
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In der Figur ist nur eine Lage aus supraleitenden Drähten 5, 11, 12
auf einem Stützkörper 3 bzw. 10 wiedergegeben. Solche einlagigen Anordnungen lassen
sich beispielsweise für supraleitende Gleichstromkabel verwenden. Für supraleitende
Wechselstromkabel können konzentrische Anordnungen von zwei oder mehr Leiterlagen
verwendet werden, deren Aufbau entsprechend dem in der Figur gezeigten ist. Als
Stützkörper für deren Leiterlagen dienen dann der Stützkörper 3 und die zwischen
benachbarten Leiterlagen angeordneten Isolationsschichten. Die Auswahl des Isolationsmaterials
des Stützkörpers und dieser Isolationsschichten ist nach elektrischen Gesichtspunkten
frei. Zur Fixierung mehrerer konzentrischer Leiterlagen ist nur erforderlich, daß
die Materialien für diesen Stützkörper und für diese Isolationsschichten sowie gegebenenfalls
auch für die Bandagebänder die gleichen Schrumpfungswerte besitzen. Diese Schrumpfung
ist für Kunststoffe mit guten Gleiteigenschaften
der auf ihnen
aufgebrachten Metalldrähte sowie mit geringen dielektrischen Verlusten im allgemeinen
kleiner als 2,2 %, während die Schrumpfung der Leiter etwa 3,2 doo beträgt. Da man
die leitenden Drähte auf dem Stützkörper bzw. der Isolierung unter einem Winkel
schraubenlinienförmig wickelt, der für die Leiterherstellung und die Auftrommelung
des Kabels am günstigsten ist, beispielsweise unter einem Winkel von 2"0, weist
eine solche Kabelstrecke nur eine teilweise Längenkompensation auf. Zur völligen
Kompensation sind die Zusatzmaßnahmen in Form der Längenkompensationseinrichtung
gemäß der Erfindung erforderlich. Die supraleitenden Drähte 5 der Kabelstrecke 2
müssen dabei relativ zu ihren Bandagebändern 6 bzw. ihrer äußeren Isolation und
zu dem Stützkörper 3 gleiten können, damit sie bei Abkühlung der Kabeletrecke auf
Tieftemperatur sich auf einer vorgegebenen Länge der Kabelstrecke gleichmäßig straffen
können und somit die zusätzliche Leiterlänge in den Schlaufen 16 eliminieren. Hierdurch
wird auch eine Zugentlastung auf die Drähte in den Leiterlagen erreicht. Da das
Gleiten der Bandagen bzw. der Isolierung aufeinander beim Abkühlen um den Weganteil,
der durch die Schlaufen aufgenommen wird, reduzeirt ist, sind entsprechend die auftretenden
Zugkräfte ebenfalls reduziert.
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6 Patentansprüche 1 Figur