DE2735490A1

DE2735490A1 - Durch verdampfung gekuehltes leitungssystem

Info

Publication number: DE2735490A1
Application number: DE19772735490
Authority: DE
Inventors: James Joseph Pachot; Mario Rabinowitz
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1976-08-09
Filing date: 1977-08-05
Publication date: 1978-02-16
Also published as: GB1591472A; JPS5325883A; US4091230A; CA1084600A; FR2361726A1

Description

Die Erfindung betrifft die Übertragung elektrischer Lnergie über Leiter für schweren Einsatz und im besonderen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen solcher Leiter, um die durch den elektrischen Stromfluß durch die Leiter erzeugte Wärmeenergie abzuführen. Auf diese Weise ergibt die Erfindung eine Übertragung mit extrem hoher Energiedichte längs relativ kleiner Übertragungskanäle. Die Erfindung ergibt auch relativ geringe Temperaturunterschiede zwischen Leiter und Umhüllung, wodurch die thermomechanisehen Spannungen herabgesetzt werden, die ein großes Problem bei anderen umhüllten Leitungssystemen darstellen, speziell bei solchen Leitungssystemen, die Außenkühlverfahren benutzen.

Das Kühlen elektrischer Leiter bei übertragungs1 eitungen für große Leistungen ist manchmal erforderlich, um die durch den elektrischen Stromfluß in den Leitern erzeugte Wärme abzuführen. Es ist bekannt, verdampfende Flüssigkeiten für diesen Zweck zu verwenden, jedoch waren die seither bekannten Verfahren allgemein unwirksam, da das Kühlmittel durch die Leiter als Flüssigkeit und als Dampf hindurchgeleitet wurde, wodurch die Viskosität des Kühlmittels und damit die Reibung zwischen Kühlmittel und Innenwandflächen der Leitern erhöht wurden. Diese Erhöhung ist deshalb unerwünscht, weil sieden Druckabfall und damit die Belastung der Pumpeneinrichtung, mit Hilfe derer das Kühlmittel durch die Leitungen geschickt wird, erhöht und damit die Gesamtleiterlänge, die bei einer gegebenen Pumpenkapazität verwendet werden kann, beschränkt und außerdem durch die Reibung des Fluids an der Wand nicht unbeträchtliche Erwärmung erzeugt. Zusätzlich ist das nicht getrennte Zweiphasen-Gemisch ein unwirksames Kühlmittel, da der Dampf einen beträchtlichen Temperaturgradierenden im Vergleich zur Flüssigkeit aufbaut. Damit kann die Temperatur des Dampfes und des ihn umgebenden Leiters über den Siedepunkt der Flüssigkeit ansteigen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, das gleiche Fluid sowohl als Kühlmittel zu benutzen, das durch den Leiter fließt, als auch als Dielektrikum zwischen dem Leiter und einer inneren Abschirmung, die den Leiter umgibt, wie es in einer Veröffentlichung des Batel'ie-Northwest Laboratory bekannt wurde. In diesem Fall

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fließt das Kühlmittel in flüssigem Zustand innerhalb des Leiters und etwas entstehender Dampf wird in den den Leiter umgebenden Kaum innerhalb der Abschirmung geleitet. Im Dampfzustand soll die Substanz als Dielektrikum wirken, um Spannungsüberschläge zwischen Leiter und Abschirmung zu verhindern. In der Veröffentlichung wird über die unerwünschten Effekte von vergrößerter Viskosität, verringerter Wärmeübertragung und gleichzeitig erhöhter Temperatur nicht gesprochen. Es ist deshalb zu vermuten, daß dieses Batelle-Verfahren mit Dampfablüftung in erster Linie dazu diente, das Fluid sowohl als Kühlmittel als auch als Dielektrikum zu benutzen.

Ein wichtiges Problem bei diesem Verfahren besteht darin, daß es äußerst schwer ist, ein Fluid zu finden, das sowohl geeignete Kühlmittel ei gen schäften (Verdampfungstemperatur, Verdampfungswärme, Druck, Viskosität) und gute dielektrische Eigenschaften (hohe Spannungsfestigkeit, molekulare Stabilität in einer Umgebung mit hoher elektrischer Feldstärke) aufweist. Wenn ein solches Fluid gefunden werden kann, entstehen dennoch Probleme wegen der Bildung von Tröpfchen an der Grenzfläche des Leiters mit dem Dielektrikum, denn Wenn diese Tröpfchen eine von der Gasphase verschiedene Dielektrizitätskonstante aufweisen, wird ein zusätzlicher Gradient des elektrischen Feldes verursacht. Diese Tröpfchen können auch durch das elektrische Feld polarisiert und verlängert werden, wodurch elektrische Überschläge zwischen Leiter und Schirm hervorgerufen werden können.

Die besprochenen Mangel zeigen die Notwendigkeit, ein verbessertes elektrisches Leistungssystem zu schaffen, in dem eine ausreichende Kühlung der Leiter in wirksamer Weise möglich ist, ohne die Herstellungs- und Wartungskosten sehr wesentlich zu erhöhen. Eine Verdampfungskühlung erlaubt im allgemeinen die Verwendung eines geringeren Massendurchflusses und einer weniger kostspieligen Zirkulationseinrichtung als eine Zwangskühlung mit einem einphasigen Mittel. Durch periodisches Ablüften des verdampfenden Kühlmittels kann ein unzulässiger Aufbau von Druck und Wärme vermieden werden, der mit nicht abgeleitetem Zweiphasen-(Dampf Flüssigkeit) Durchfluß verbunden ist.

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Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes elektrisches Leitungssystem mit verbesserten Kühl einrichtungen der darin benutzten Leiter, bei dem eine Anzahl von rohrförmigen Leitern durch eine Abschirmeinrichtung umgeben ist und durch Isolatoren davon isoliert ist, welche die Leiter in Abstand von den Innenflächenabschnitten der Abschirmeinrichtung halten. Jeder Leiter wird von einer Kühlmittelquel1e her mit flüssigem Kühlmittel versorgt und das Kühlmittel wird zum Durchfließen der Längsrichtung des Leiters gezwungen, um diesen zu kühlen. Während das Kühlmittel die Wärmeenergie absorbiert, geht ein Teil des Mittels in die Dampfphase über, während das übrige Kühlmittel weiterhin durch die Leiter fließt. Jeder Leiter ist mit einer Vielzahl rohrförmiger Isolatoren längs seiner Längserstreckung versehen, so daß der Kühlmitteldampf zu einer Rückleitung hi ηabgeleitet werden kann, die sich außerhalb der Abschirmeinrichtung befindet und sich bis zur Kühlmittelquelle erstreckt, wo eine Wiederverflüssigung erfolgt. Auf diese Weise ist in den Leitern Kühlmittel im wesentlichen nur in flüssiger Phase enthalten und der Dampf wird von dem Leiter im wesentlichen sobald er entsteht entfernt, um eine Viskositätserhöhung des Kühlmittels und die daraus erfolgende Erhöhung der Reibung so gering wie möglich zu halten, die entsteht, wenn das Kühlmittel in einem Zweiphasenzustand auftritt, wie es bei den bekannten Systemen der Fall ist. Auf diese Weise wird die Pumpenbelastung zum Umpumpen des Kühlmittels durch die Leiter so gering wie möglich gehalten und die Leiter können bei einer gegebenen Pumpenkapazität relativ lang sein, so daß sich ein wirksames System ergibt, das wenig oder überhaupt keine Wartung benötigt. Die Erfindung kann im Grunde bei allen geschlossenen Übertragungssystemen mit hohlen inneren Leitern benutzt werden, und kann dazu dienen, die Leistungsübertragungskapazität solcher Systeme in großem Maße zu erhöhen. Der Bereich dieser Systeme mit hohem elektrischen Feld kann jedes beliebige dielektrische Material mit hoher dielektrischer Festigkeit enthalten, ob es nun fest, flüssig, gasförmig oder ob es Vakuum ist.

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Die Erfindung ergibt auch ein Verfahren zur Kühlung von Leitern eines Systems der beschriebenen Art, bei dem das Kühlmittel den Leitern als Flüssigkeit mit einer Temperatur in der Nähe des Siedepunktes in dem Druckbereich, in dem das System arbeitet, zugeführt wird. Auf diese Weise wird die durch das Kühlmittel absorbierte Wärme im wesentlichen dazu benutzt, durch Zufuhr der latenten Verdampfungswärme Dampf zu erzeugen, womit der Temperaturanstieg so gering wie möglich gehalten wird. Deshalb wird das Kühlmittel wirksam zur Kühlung der Leiter benutzt und der entstehende Kühlmitteldampf wird im wesentlichen sofort bei Entstehang an verschiedenen Stellen längs der Längserstreckung der Leiter von den Leitern abgeführt Die Leiter können kontinuierlich arbeiten, um mehr elektrischen Strom in wirksamer Weise zu übertragen, als es mit Verwendung der bisher üblichen Verfahren möglich ist.

Es können verschiedene Ausführungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen benutzt werden. Beispielsweise kann eine Anzahl von Leitern innerhalb einer einzigen Abschirmung an getrennten Stellen mit einem Abstand von der Innenfläche der Abschirmung durch feste Isolatoren gehalten werden, wobei eine Anzahlsolcher Isolatoren bei jedem Leiter rohrförmig ausgeführt sind, so daß der Kühlmitteldampf durch diese rohrförmigen Isolatoren geleitet werden kann, um eine oder mehrere Dampfleitungen zu erreichen, die außerhalb der Abschirmung liegen. Eine Versorgungsleitung für das Kühlmittel ist ebenfalls außerhalb der Abschirmung verlegt. Ein Dielektrikum befindet sich in dem Raum zwischen jedem Leiter und der Abschirmung. Ein periodisches Ablüften des Dampfes verhütet einen Druck- und Wärmeaufbau, der entsteht, wenn ein größerer Teil der Flüssigkeit innerhalb der Leiter verdampft.

In einer anderen Ausführung besitzt jeder Leiter seine eigene, ihn umgebende Abschirmung und die Abschirmungen für mehrere Leiter' sind innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses angeordnet, das die Abschirmungen trägt. In jeder Abschirmung umgibt ein

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Dielektrikum die benachbarten Leiter. Der Kühlmitteldampf wird innerhalb des rohrförmigen Gehäuses und außerhalb der Abschirmungen geführt und die Leitung für das flüssige Kühlmittel kann entweder innerhalb oder außerhalb des rohrförmigen Gehäuses angeordnet sein.

In einer dritten Ausführung besitzen die Leiter einzelne, sie umgebende Abschirmungen, wobei der Raum zwischen den Abschirmungen und den Leitern mit einem Dielektrikum versehen ist. Bei dieser Ausführung sind die Abschirmungen mit einem mittleren Stützrohr verbunden, um das herum die Abschirmungen angeordnet sind. Das Rohr kann die Leitung für das flüssige Kühlmittel und eine oder mehrere Dampfleitungen außerhalb der Abschirmungen aufnehmen.

Das vornehmlichste Ziel dieser Erfindung ist es deshalb, ein Übertragungsleitungssystem mit einer Anzahl rohrförmiger, verdampfungsgekühlter Leiter zu schaffen, um die den bekannten Kühlsysteme anhaftenden Mängel zu verringern oder im wesentlichen zu eliminieren.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abkühlen der Leiter eines elektrischen Leistungsübertragungssystems zu schaffen, bei dem eine Anzahl von Leitern innerhalb einer Abschirmvorrichtung angeordnet sind und mit Einrichtungen versehen sind, um den Kühlmitteldampf an verschiedenen Stellen ihrer Längserstreckung zu entfernen, so daß ein jedem Leiter zugeführtes fluides Kühlmittel im wesentlichen in flüssiger Phase verbleibt, da der Dampf an verschiedenen Stellen längs der Leitern entfernt wird, um damit den Viskositätsanstieg des Kühlmittels infolge gemischtphasigen Auftretens des Kühlmittels so gering wie möglich zu halten und dadurch die Pumpenauslegung, die für das Umpumpen des Kühlmittels durch die Leiter benötigt wird, so gering wie möglich zu halten.

Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, ein System der erwähnten Art zu schaffen, bei dem das Kühlmittel den Leitern in flüssiger Phase in der Nähe seines Siedepunktes zugeführt wird ,

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so daß Kühlung der Leiter durch Absorbieren von der latenten Verdampfungswärme des Kühlmittels equivalenter Wärmeenergie erfolgt und der entstehende Dampf von den Leitern an bestimmten Stellen ihrer Länge entlang entfernt wird, um sicherzustellen, daß die Flüssigkeit im wesentlichen innerhalb der Leiter in flüssiger Phase bleibt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein einfaches, billiges Verfahren zur Herstellung sauberer, leckdichter Leiterverbindung zu schaffen, die keine Verunreinigung in den Bereich hoher Feldstärke entlassen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:'

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen übertragungsleitungsvorrichtung,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Vertikaischnitt mit Einzelheiten eines rohrförmigen Isolators für einen der Leiter der Vorrichtung,

Fig. 3 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht der Vorrichtung,

Fig. 3A einen vergrößerten Schnitt durch einen Leiter, von dem

zwei Abschnitte durch ein spannerartiges Gerät verbunden sind.

Fig. 3B einen'vergrößerten Teilausschnitt der Stoßstelle zwischen Leiter und spannerartigem Gerät mit der Ausführung der Verbindungsstelle,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes der Anordnung mit einer mit der Leitervorrichtung verbundenen Kühlmittelquelle,

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Pig. 5 eine Ansicht ähnlich¹Fig. 1 durch eine zweite Ausführung der übertragungsleitungsvorrichtung.

Fig. 6 einen Schnitt ähnlich Fig. 1 und Fig. 5 durch eine dritte Ausführung der Vorrichtung.

Line erste Ausführung der verdampfungsgekühlten übertragungsleitungsvorrichtung ist in Fig. 1 bis 4 dargestellt. Die Vorrichtung 10 umschließt eine Anzahl voneinander in Abstand geführter, rohrförmiger elektrischer Leiter 12,14 und 16, die innerhalb einer elektrisch leitenden Abschirmung 18 angeordnet sind, die, wie in Fig. 4 gezeigt, unterhalb der Erdoberfläche geführt sein kann. In Fig. 4 ist eine Wärmeaustausch- und Pumpenkühleinheit 20 gezeigt, die im folgenden Kühlmittelquel1e genannt ist und sich oberhalb der Erdoberfläche befindet. Der kleinere Querschnittsdurchmesser der Abschirmung 18 ist durch den inneren, in Fig. 1 gezeigten Ring dargestellt. Die Vorrichtung 10 bewirkt, daß elektrischer Strom längs der Leiter 12, 14 und 16 geführt werden kann, und wegen der durch den Stromfluß in den Leitern erzeugten Wärme müssen diese durch ein durchfließendes flüssiges Kühlmittel gekühlt werden. Die Kühlung wird dadurch erreicht, daß das Kühlmittel verdampft, insoweit flüssiges Kühlmittel von der KühlmittelquelIe 20 (Fig. 4) den drei Leitern in flüssiger Phase zugeführt wird, wobei die Flüssigkeit eine in der Nähe ihres Siedepunktes liegende Temperatur bei dem Druck, bei dem das System betrieben wird, aufweist. Auf diese Weise wird mindestens der größere Anteil der durch das Kühlmittel absorbierten Wärmeenergie dazu benutzt, die latente Verdampfungswärme dem Kühlmittel zuzuführen und damit die Leiter zu kühlen. Diese Eigenschaft ergibt eine sehr dichte Kühlung und stellt damit einen wirksamen Betrieb der Leiter bei Strömen sicher, für die die Leiter ausgelegt sind.

Als Kühlmittel kann irgendeine Flüssigkeit verwendet werden. Beispielsweise kann ein Freon oder ein anderer fluorinerter Äther benutzt werden. In Tafel I sind einige mögliche Fluide in der Reihenfolge abnehmender Siedepunkte aufgeführt.

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- 15 -Tafel 1. Mögliche Kühlfluide

Fluid

Siedepunkt (⁰C)

H₂O (Wasser)

^C6^F12°

^C6^F14

FC-122 (fluorinert)

FC-78 (kein H, fluorinert) CCl₂-F-CClF₂ (Freon 113) C₃F₇OCHCF₃ (Freon E-1) CCl-CClF

^C5^F8

FC-88 (fluorinert)

C₅F₁₂ (n-Perfluorpentan) CCl₃F (Freon 11) ^C4^F6°2

NH₃ (flüssiges Ammoniak) SF_ß (flüssiges Schwefelhexafluorid)

100	(fluorinerter Äther)
69
64
56
56	3
55
51
50	3
48
41
38
34
31
29,
24
18
- 33,
- 68

Beispielsweise hat das Fluid Nr. 9,als Freon 113 bezeichnet, eine relativ hohe dielektrische Festigkeit im Gaszustand. So würde in einem nicht leckdichten System oder in einem System, in dem das Fluid mäßig hohen elektrischen Feldstärken in den rohrförmigen Entladungsisolatoren 28 ausgesetzt ist, die Verwendung eines solchen Fluids mit höherer dielektrischer Festigkeit Vorteile bringen. Wenn in einer solchen Situation Freone benutzt werden, hilft die Hinzufügung von kleinen Mengen von CO₂ oder von NO zu dem Freon-Gas dabei, Kohlenstoffablagerungen

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beim Auftreten von Lichtbogen zu verhindern. Das flüssige Ammoniak und das SF,- sind mit in der Liste aufgenommen, um solche Flüssigkeiten mit einem unter der Umgebungstemperatur liegenden Siedepunkt einzuschließen, die in Systemen mit ausreichender thermischer Isolation Verwendung finden können.

Jeder der drei Leiter innerhalb der Abschirmung 18 ist an der Innenfläche 21 (Fig. 1 und 3) der Abschirmung 18 durch getrennt angebrachte Stützisolatoren 22 so befestigt, daß die Leiter von der Innenfläche 21 des Schirmes einen Abstand aufweisen und auch, wie in Fig. 3 gezeigt, voneinander im Abstand geführt werden. So kann mit Sicherheit ein elektrisches Feld zwischen den Leitern und der Abschirmung gebildet werden. Die Länge und das Material der Stützisolatoren 22 wird so eingerichtet, daß ein Überschlag des elektrischen Feldes verhindert wird.

Die Abschirmung kann mit in Längsrichtung mit Abstand angeordneten Vergrößerungen 26 versehen werden. In der Nähe jeder solchen Vergrößerung 26 weist jeder Leiter einen rohrförmigen Isolator 28 auf, der den Abstand zwischen dem Leiter und dem Schirm, wie in Fig. und 2 zu sehen, überspannt, wobei die Vergrößerungen vorgesehen sind, falls die dielektrische Festigkeit des durch den Isolator 28 hindurchtretenden Kühlmitteldampfes so gering ist, de das elektrische Feld durch eine Vergrößerung 26 herabgesetzt werden muß.

Jeder Leiter kann auf eine übliche Art mit dem zugeordneten Isolator 28 verbunden werden. Die dargestellte Art besteht darin, den Isolator auf einen mit einem Gewinde versehenen Vorsprung 30 auf dem jeweiligen Leiter zu schrauben, während auf der anderen Seite eine Art Stopfen 32 mit einem Außengewinde aus Isoliermaterial durch die Abschirmung hindurch mit dem Isolator verschraubt wird und so angezogen wird, daß eine sichere Befestigung mit der Abschirmung hergestellt ist.

Ein Fluid-Durchgang 34 erstreckt sich durch jeden Isolator 28 hindurc und stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Inneren des jeweiligen Leiters und einer Fluidflußleitung 36 her, die Kühlmitteldampf zu

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der Quelle 20 zurückführt, wo der Dampf verflüssigt wird, In dem Fluiddurchgang 34 ist ein poröses Druckventil 35 angebracht, damit nur Dampf bei dem vorbestimmten Siedepunkt der Kühlflüssigkeit freigelassen wird. Eine Druckentlastung einer Flüssigkeit in der Nähe ihres Siedepunktes ergibt ein schnelles Verdampfen der Flüssigkeit. Die Kühlmittelversorgungsleitung 38 von der Quelle 20 besitzt ein in Stroniabwärtsrichtung gelegenes Ende 40, das sich durch die Seite der Abschirmung hindurch erstreckt und mit den Leitern 12, 14 und 16 beispielsweise durch einen (nicht gezeigten) Fluidvertei1 er verbunden ist. Auf diese Weise kann flüssiges Kühlmittel in die drei Leiter hinein und in diesen in Längsrichtung fließen und sie abkühlen. Dabei wird das flüssige Kühlmittel fortschreitend verdampft und der Dampf wird nach außen von den Leitern an voneinander getrennten Stellen längs der Leiter durch die verschiedenen Isolatoren 28 abgeleitet. Der Dampf wird dann zur Leitung 36 gebracht und zur Quelle 20 unter dem Einfluß (nicht gezeigter) Pumpeinrichtungen zurückgeholt, wobei die Pumpeinrichtungen ein Teil der Quelle 20 bilden.

Während nur eine einzige Dampfrückhol 1 eitung 36 gezeigt ist, kann auch jeweils für jeden Leiter eine getrennte Dampfrückholleitung angelegt sein. Da der erhitzte Dampf normalerweise aufsteigt, wird die Leitung 36 über der Abschirmung 18 angeordnet und in dem gezeigten Beispiel sind die Leiter 12 und 14 über dem Leiter 16 angeordnet. Relativ kurze gebogene Röhren 37 (Fig. 1 und 3) an den äußeren Enden der den Leitern 12, 14 und 16 zugeordneten Isolatoren 28 verbinden diese mit der Leitung 36 und führen den Dampf, wie in Fig. 1 zu sehen, zu dieser Leitung. Die Röhren 37 sind in Fig. 4 zur Vereinfachung weggelassen.

Der Innenraum 46 der Abschirmung 18 ist mit einem Dielektrikum, das fest, flüssig oder gasförmig sein kann, gefüllt, oder der Innenraun ist evakuiert. Es kann irgendein passendes Material mit hoher

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dielektrischer Festigkeit,einschließlich Druckgas i sol i erung^ beispielsweise SF, oder ein Isolierband um jeden Leiter 12, und 16 angeordnet sein. Der Raum 46 ist auch von dem flüssigen Kühlmittel, das durch die Leiter fließt, getrennt. Wie gut die Abtrennung sein muß, hängt von dem Kühlmittel und dem Dielektrikum ab. In manchen Fällen sind kleine Mengen von Kühlmitteldampf mit dem primären Dielektrikum im Raum 46 verträglich, so daß die Anforderungen an die Abdichtung nicht zu hoch geschraubt werden müssen. Gasabscheidemethoden, die die Verunreinigung auf einem ziemlich niederen Niveau ha 1 ten ,können in manchen Fällen absolut leckdichten Abdichtungen vorzuziehen sein. Andererseits ist es wichtig, leckdichte Verbindungen zwischen benachbarten Längen der Leiter zu schaffen, um das Eindringen des Kühlmittels in den Bereich mit hoher elektrischer Feldstärke zu verhindern.

Die einzelnen Längen der inneren Leiter und der Abschirmung können durch viele Verfahren miteinander verbunden werden. Es können die Enden in entgegengesetzten Richtungen mit Gewinden versehen werden und ein Gewindeeinsatz wie ein Spanneinsatz kann diese Enden verbinden. Sie können aber auch einfach verschweißt, explosionsgeschweißt oder auf anderem Weg verbunden sei n.

Das Verbinden der Abschirmung macht relativ weniger Schwierigkeiten, als das der Leiter, da irgendwelche, nach dem Schweißvorgang zurückbleibende Verunreinigungen sich außerhalb des Bereiches hoher elektrischer Feldstärke befinden und die Abschirmung selbst auch in einem Bereich niederer elektrischer Feldstärke ist. Für die Leiter gilt das entgegengesetzte. Das Verbinden der Leiter ist aus verschiedenen Gründen sehr kritisch. Verunreinigungen müssen entfernt werden, da sie sich in einem Bereich Roher elektrischer Feldstärke befinden. Das gleiche gilt für größere oder kleinere vorstehende Teilchen. Zusätzlich ist bei den Leitern eine viel höhere Stromdichte vorhanden, so daß die Verbindung auch von diesem Standpunkt aus viel besser ausgeführt sein muß. Die Verbindung muß gleichfalls bei dem Gebrauch von Kühlmitteln mit niederer dielektrischer Festigkeit absolut leckdicht sein.

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Die erfindungsgemäße Lösung der eben erwähnten Probleme ist in Fig. 3A und 3B gezeigt. Fig. 3A zeigt eine Verbindungsstelle 11, die durch eine spannerartige Hülse 47 gebildet wird, welche die Leiterenden 12a und 12b miteinander verbindet. Die Verbindung zwischen der Hülse 47 und dem Leiter 12a ist in vergrößerter auseinandergezogener Darstellung in Fig. 3B gezeigt, wobei die Gewinde 49 und 51 an den Enden der Hülse 47 entgegengesetzte Steifung aufweisen. Miteinander ausgerichtete ringförmige Nuten 53 in den flachen Endflächen der Hülsen und der Leiterab6chnitte so ausgelegt, daß sie jeweilige umlaufende Ringdichtungen 55 aufnehmen können. Das Dichtungsmaterial sollte leicht verformbar sein, damit sich eine gute Abdichtung ergibt, es sollte aber gleichzeitig gut elektrisch leitend sein. Geeignete Dichtungsmaterialien sind beispielsweise Gold, Kupfer un Indium. So kann eine gute, saubere leckdichte Verbindung ohne Schweißen hergestellt und die Verunreinigungsprobleme, die normalerweise bei einer solchen Verbindung vorliegen können, beseitigt werden.

Typischerweise besteht die Vorrichtung 10 aus einer Anzahl von Abschnitten, die nach Fig. 4 ausgeführt sind. Jeder Abschnitt besetzt 3 Leiter innerhalb einer Abschirmung, die eine Länge von 0,8 bis 8 km aufweisen kann und eine Anzahl solcher Abschnitte könnte sich über 16 bis 160 km oder mehr erstrecken. An den Trennstellen zwischen den einzelnen Abschnitten könnte die Leiter innen verstopft sein, damit das Kühlmittel aus einem Abschnitt nicht in den nächsten benachbarten Abschnitt eindringt. In jedem Abschnitt können die Abführisolatoren untereinander einen Abstand von 2 bis 100 m aufweisen. Je langer der übertragungsleitungsabschnitt ist, umso dichter müssen die Abluftstellen aneinander sitzen. Umgekehrt können bei kürzeren Abschnitten größere Abstände der Entlüftungsstellen in Kauf genommen werden. Die optimale Abschnittslänge und der optimale Abstand der Abluftstellen ist abhängig von den Eigenschaften des Kühlmittels, der übertragungsleitung und von wirtschaftlichen Überlegungen. Wenn die übertragungsleitung relativ kurz ist, ist es nicht notwendig,den Dampf durch abführende Isolatoren 28 zu entfernen. Der Dampf kan

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dann am Ende des Kabels entfernt werden.

Im Betrieb ergibt der durch die Leiter 12, 14 und 16 fließende elektrische Strom eine Erhitzung derselben. Flüssiges Kühlmittel, das aus der Quelle 20 ausfließt, tritt in die Leiter von der Leitung 38 her ein und fließt zur Quelle 20 durch die Leiter zurück. Dabei befindet sich das Kühlmittel in der Nähe seines Siedepunktes bei einem bestimmten Druck, wird teilweise verdampft und der Dampf wird direkt bei den verschiedenen Isolatoren 28 zur Dampfrückkehrleitung 36 hin abgeleitet. Das Verdampfen wird fortgesetzt, während das flüssige Kühlmittel weiter zur Quelle hin fließt. Bei jeder Vergrößerung 26 wird angesammelter Dampf aus dem Inneren der Leiter entfernt, wodurch das Kühlmittel im wesentlichen in flüssiger Phase innerhalb der Leiter gehalten wird und wodurch die zum Durchdrücken des Kühlmittels durch den Leiter erforderliche Pumpenbelastung so klein wie möglich gehalten wird, da geringere Viskosität und kleinstmögliche Reibungseffekte bei dem Kühlmittel innerhalb des Leiters auftreten. Die Längen der Leiter können deswegen bei einer gegebenen Pumpenkapazität relativ groß sein, wodurch eine Herstellung und Installierung der Vorrichtung 10 relativ wirtschaftlich wi rd.

Die Vergrößerungen 26 sind deswegen vorgesehen, damit die Länge des Fluiddurchflußweges 34 vergrößert wird, um die Feldstärke zwischen der Vergrößerung und jedem Leiter möglichst gering zu halten. Damit wird die Möglichkeit elektrischer Oberschläge in dem durch den Durchfluß hindurchfließenden Dampf verringert. Diese Vergrößerungen 26 sind nur bei Dämpfen mit relativ geringen dielektrischen Festigkeiten nötig,in Beziehung zur dielektrischen Festigkeit des isolierenden Materials im Raum 46.

Das Kühlfluid sollte eine ausgezeichnete chemische Stabilität besitzen und gegen Oxidation und Hydrolyse beständig sein^und es sollte eine Anzahl optimaler physikalischer Eigenschaften aufweisen, von denen sich einige gegenseitig ausschließen. Eine hohe Verdampfungswärme, eine niedere Viskosität, eine niedere Oberflächenspannung und niedere Dichte befinden sich unter den erwünscht

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physikalischen Eigenschaften. Wenn der Dampf Bereichen mit relativ hoher elektrischer Feldstärke ausgesetzt wird, dann kann die Anforderung nach hoher dielektrischer Festigkeit dadurch begegnet werden, da 15 Verbindungen mit einem beträchtlichen Anteil an elektronegativen Atomen, beispielsweise Hallogen, benutzt werden.

Tafel II zeigt annähernde Werte für einige physikalische Eigenschaften einiger möglicher Kühlfluide.

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lafel II. Physikalische Eigenschaften einiger Kühifluide

Fluid

1. H₂O (Wasser)

2. FC-78 (kein H, fluorinert)

3. C₂Cl₃F₃ (Freon 113)

4. C₃F₇OCHCF₃ (Freon E-1)

5. FC-88 (fluorinert)

6. CgF^₂ (n-Perfluorpentan)

7. CCl₃F (Freon 11)

8. NH₃ (flüssiges Ammoniak)

9. SF₆ (flüssiges Schwefelhexaf1uori d)

Viskosität (mP;	Verdampfungs wärme (CaI/g)	Dichte
2,8	540	0,96
6,8	25	1,91
6,9	35	1 ,57
5,0	23	1,54
6,5	21	1 ,84
4,6	22,6	1 ,60
4,4	43	1 ,49
2,7	237	0,82

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Oberflächenspannung (Dyη/cm)

60

19 10,4

10,0

19

23

CT

.0

Wasser sieht zwar attraktiv aus, da es sehr billig ist, eine hohe Verdampfungswärme und niedere Viskosität besitzt. Es hat jedoch unerwünschte Eigenschaften, nämlich seine Korrosivitat, seine niedere dielektrische Festigkeit, falls der Dampf in Bereiche hoher elektrischer Spannung kommt. Es kann nur verwendet werden, wenn ein Druck von weniger als einer Atmosphäre vorhanden ist» damit der Siedepunkt beträchtlich unterhalb 100⁰C kommt, damit die Leiter mit verringerten Ohm'schen Verlusten betrieben werden kann.

Zwei weitere Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in Fig. 5 und 6 dargestellt. In Fig. 5 sind drei Leiter 50, 52 und 54 konzentrisch innerhalb jeweiliger Abschirmungen 56, 58 und 60 dadurch angeordnet, daß radial gerichtete Isolatoren 62 in irgendeiner Weise mit den jeweiligen Leitern und Abschirmungen verbunden sind. Der Raum 64 innerhalb jeder Abschirmung, der die entsprechenden Leiter umgibt, ist mit einem dielektrischen Material 46 in fester, flüssiger oder gasförmiger Form versehen oder evakuiert Die drei Abschirmungen sind durch ein außen liegendes rohrförmiges Gehäuse 66 gehalten und eine Leitung 68 für flüssiges Kühlmittel ist außerhalb des Gehäuses 66 vorgesehen, um flüssiges Kühlmittel von einer Quelle, beispielsweise durch Versorgungsleitungen 65, den Leitern 50, 52 und 54 zuzuführen, die mit gewissen rohrförmigen Isolatoren 62 verbunden sind, welche wiederum Fluiddurchgänge 72 in ihrem Inneren besitzen.

Das rohrförmige Gehäuse 66 dient dabei als gemeinsame Dampfrückleitung für die Leiter 50, 52 und 54. Die Rückführlei tung., d.h. das Innere des Gehäuses 66 nimmt Dampf von den Leitern durch eine Anzahl von Fluiddurchgängen 72 in anderen Isolatoren 62 der entsprechenden Leiter auf, so daß Dampf aus dem Inneren der Leiter durch poröse Druckventile 73 an voneinander getrennten Stellen längs der Leiter in gleicher Weise entfernt werden kann, wie es oben mit Bezug auf die Ausführung nach Fig. 1 bis 4 erläutert wurde. Der Betrieb dieser Ausführung geht in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführung vor sich.

Fig. 6 zeigt eine Ausführung mit drei Leitern 80, 82 und 84, die konzentrisch innerhalb jeweiliger Abschirmungen 86» 88 bzw. 90 durch Isolatoren 92 gehalten sind. Die Abschirmungen 86, 88 und 90 sind durch ein zentrales Rohr 94 gehalten und in Winkelrichtungen um das Rohr herum angeordnet, uas Rohr 94 wirkt als eine Kühlmittel Versorgung zur Verbindung mit den drei Leitern. Gleichfalls ist jeder Leiter mit einer Anzahl von Isolatoren 92 verseh-en, welche Fluiddurchgänge 98 in sich aufweisen, die mit dem Leiter über poröse Druckventile 99 mit einer Dampfrückholleitung verbunden sind, die dem gleichen Zweck wie die Leitung 36 der ersten Ausführung und das Gehäuse 66 der zweiten Ausführung dient.

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Diese rohrförmigen Isolatoren 92 sind bei Vergrößerungen längs jeder zugeordneten Abschirmung angeordnet, wobei die Vergrößerunger im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Vergrößerungen 26 in Fig. 3 besitzen. Der Raum 102 innerhalb jeder Abschirmung, der den jeweiligen Leiter umgibt, ist mit einem dielektrischen Material angefüllt, das fest, flüssig oder gasförmig sein kann, oder er ist evakuiert. Der Betrieb dieser Ausführung ist im wesentlichen der gleiche, wie er in Bezug auf die Fig. 1 bis 4 beschrieben wurde.

Es wird also ein System gezeigt, bei dem ein oder mehrere rohrförmige Leiter innerhalb einer Abschirmvorrichtung angeordnet sind, wobei die Abschirmvorrichtung eineDielektrikum enthält, das die Leiter umgibt,und das System wird zur Obertragung elektrischer Energie benutzt. Ein flüssiges Kühlmittel wird längs einer Versorgungsleitung von einer Quelle geleitet und in die Leiter eingeführt. Jeder Leiter weist eine Vielzahl rohrförmiger Isolatoren an voneinander mit einem Abstand versehenen Stellen in seiner Längserstreckung auf, um Kühlmitteldampf aus dem Inneren des Leiters abzuführen und so einen Einphasen-Durchfluß aufrecht zu erhalten, während gleichzeitig ein Zweiphasen-Kühl Vorgang betrieben wird. Eine andere Leitung nimmt de Dampf auf und führt ihn zur Quelle zur Verflüssigung zurück. Dieses Grundprinzip ist in mehreren Ausführungen gezeigt.

ist ein Warenzeichen der JH Company. Ein typisches r<oi3picl dafür ist Preon.

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L e e r s e i t e

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Leitungssystem zur Übertragung elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anzahl rohrförmiger elektrischer Leiter vorhanden ist , daß eine Abschirmungseinrichtung die Leiter jmgibt, so daß ein elektrisches Feld zwischen diesen gebildet werden kann, daß der Raum zwischen der Abschirmeinrichtung und jedem Leiter zur Aufnahme eines dielektrischen Mediums geeignet ist, um Überschläge dazwischen zu vermeiden, daß eine Quelle eines flüssigen Kühlmittels vorgesehen ist, daß eine erste Leitungseinrichtung vorgesehen ist, um flüssiges Kühlmittel von der Quelle zu jedem Leiter zu leiten, daß eine zweite Leitungseinrichtung vorgesehen ist, um Kühlmitteldampf zur Verflüssigung zur Quelle zuzuführen und daß Einrichtungen jeweils an einer von einer Vielzahl voneinander mit Abstand versehenen Stellenlängs jedes Leiters vorgesehen sind, um diese in Fluidverbindung mit der zweiten Leitungseinrichtung zum Abführen des Kühlmitteldampfes zu dieser zu bringen, damit sichergestellt ist, daß das Kühlmittel im wesentlichen nur in flüssiger Phase in den Leitern vorhanden ist.

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DR. C. MANITZ ■ DIPL.-ING. M. FINSTERWALD DIPL.-INC. W. CRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

β MÖNCHEN aa. ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART 50 «BAD CANNSTATTI MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 73 70

ORIGINAL IN8PECTBD

Z. Leitungssystem nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

zeichnet ,daßdie Abschirmeinrichtung einen einzigen, rohrförmigen, alle Leiter umgebenden Schirm umfaßt.

ξ. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschirmeinrichtung je einen Schirm für jede Leiter umfaßt und mit den Schirmen verbundene Einrichtungen zur Stützung der Schirme einschließt.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Stützeinrichtungen rohrförmige, die Schirme umgebende Gehäuse umfassen, und daß die Schirme mit den Gehäusen an voneinander mit einem Abstand versehenen Stellen an der Innenfläche der Gehäuse verbunden sind.

5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Stützeinrichtungen ein Rohr umfassen und daß die Schirme an in Umfangsrichtung mit einem Abstand voneinander versehene Stellen an der Außenfläche des Rohres befestigt

s i nd.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Leitungseinrichtung sich durch das Rohr erstreckt.

7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Leiter eine Vielzahl rohrförmiger Isolatoren an voneinander längs des Leiters mit einem Abstand versehenen Stellen aufweist, daß die Isolatoren den Abstand zwischen den zusammengehörigen Leitern und Schirmen überspannen und daß ein Rohr vorhanden ist, das das äußere Ende jedes Isolators mit der zweiten Leitungseinrichtung verbindet.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschirmeinrichtung jeweils in der Nähe jedes Isolators jedes Leiters eine Vergrößerung aufweist, daß die Vergrößerung eine Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Leiter und der Abschirmeinrichtung bewirkt und dadurch die Intensität des elektrischen Feldes zwischen diesem verringert.

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9. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet daß eine von der Verbindungseinrichtung zur zweiten Leitungseinrichtung unabhängige Einrichtung vorhanden ist, um jeden Leiter in einem Abstand nach innen von einem inneren Oberflächenabschnitt der Abschirmeinrichtung zu erhalten.

10.System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ha1teeinrichtungen eine Vielzahl von Isolierungen einschließen, die längs des Leiters angeordnet sind.

11.Verfahren zum Abkühlen eines Leitungssystems für elektrische Leistung mit einer Anzahl von rohrförmigen elektrischen Leitern in einer die Leiter umgebenden Abschirmeinrichtung, dadurch gekennzeichnet , daß ein flüssiges Kühlmittel in die Leiter geleitet wird, um diese zu durchfließen und sie abzukühlen, indem das Kühlmittel Wärme von den Leitern absorbiert und in den dampfförmigen Zustand überführt wird, OaQ der Dampf von jedem Leiter an jeweils einer von einer Vielzahl von längs des Leiters mit einem Abstand versehenen Stellen abgeführt wird, um sicherzustellen, daß das Kühlmittel in den Leitern im wesentlichen in flüssiger Phase bleibt, daß der Dampf verflüssigt wird und daß das flüssige Kühlmittel den Leitern wieder zugeführt wird.

12.Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich η e t , daß das flüssige Kühlmittel mit einer knapp unterhalb der Siedetemperatur des Kühlmittels liegenden Temperatur in den Leiter eingeführt wird.

13.Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net , daß die Verflüssigung an einer von den Leitern entfernliegenden Stelle durchgeführt wird.

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14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net , daß die Abführung des Dampfes von den Leitern in der Nähe der obersten Stelle jedes Leiters durchgeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichne daß ein dielektrisches Material in den Raum zwischen jedem Leiter und der Abschirmeinrichtung eingeführt wird und daß die Leiter von diesem Raum isoliert werden, um eine Verunreinigung des Kühlmittels mit dem dielektrischen Material zu verhindern.

16. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß mindestens ein Leiter zwei voneinander mit einem Abstand versehene, in Axial richtung ausgerichtete Abschnitte und mit den Abschnitten verbundene Einrichtungen umfaßt, um diese miteinander zu verbinden und sie in Fluidverbindung miteinander zu bringen, daß die Verbindung zwischen jedem Abschnitt und der Einrichtung eine Dichtung aufweist, um ein Austreten von Fluid durch die Verbindung zu verhindern.

17. System nach Anspruch 16, dadurch gekenzeichnet , daß die Einrichtung eine Hülse einschließt, deren beide einander gegenüber liegende Enden über Gewinde mit entsprechenden Leiterabschnitten verbunden sind und daß die Dichteinrichtungi jeweils eine zusammenhängende Dichtung zwischen der Hülse und jedem Leiterabschnitt einschließen.

18. Leitungssystem zur Übertragung elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anzahl rohrförmiger elektrischer Leiter vorgesehen ist, daß die Leiter von einer Abschirmeinrichtung umgeben sind, um die Errichtung eines elektrischen Feldes dazwischen zu gestatten, daß der Raum zwischen der Abschirmeinrichtung und jedem Leiter zur Aufnahme eines dielektrischen Mediums eingerichtet ist, um Spannungs-

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Überschläge dazwischen zu verhindern, daß eine Quelle flüssigen Kühlmittels vorgesehen ist, daß eine erste Leitungseinrichtung vorgesehen ist, um flüssiges Kühlmittel von der Quelle zu jedem Leiter zu leiten, daß eine zweite Leitungseinrichtung vorgesehen ist, um Kühlmitteldampf zur Verflüssigung zur Quelle zurückzuleiten und daß jeweils an einem Leiterende eine Einrichtung vorhanden ist, um diesen in Fluidverbindung mit der zweiten Leitungseinrichtung zu bringen, um die Abführung des Flüssigkeitsdampfes zu dieser zu gestatten, um sicherzustellen, daß das Kühlmittel in den Leitern im wesentlichen nur in flüssiger Phase vorhanden ist.

19. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net , daß die Abschirmeinrichtung eine einzelne rohrförmige, alle Leiter umgebende Abschirmung ist.

2U. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet daß die Abschirmeinrichtung jeweils eine Abschirmung für jeden Leiter umfaßt und mit den Abschirmungen verbundene Einrichtungen einschließt, um diese zu stützen.

21. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet daß die Stützeinrichtungen ein rohrfÖrmiges, die Abschirmungen umgebendes Gehäuse umfassen, wobei die Abschirmungen an voneinander mit einem Abstand versehenen Stellen an der inneren Oberfläche des Gehäuses befestigt sind.

22. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützeinrichtungen ein Rohr umfassen und daß die Abschirmungen an in Umfangsrichtung voneinander mit einem Abstand versehenen Stellen an der Außenfläche des Rohres befestigt sind.

23. System nach Anspruch 22, dadurch g e k en nzeichnet daß sich die erste Leitungseinrichtung durch das Rohr erstreckt

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24. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet daß jeder Leiter eine Vielzahl von rohrförmigen Isolatoren an voneinander mit einem Abstand versehenen Stellen längs des Leiters aufweist, daß die Isolatoren den Abstand zwischen dem jeweiligen Leiter und der Abschirmeinrichtung überspannen und daß ein Rohr das äußere Ende jedes Isolators mit der zweiten Leitungseinrichtung verbindet.

25. System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet daß die Abschirmeinrichtung in der Nähe jedes Isolators jedes Leiters je eine Vergrößerung aufweist, daß die Vergrößerungen eine Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Leiter und der Abschirmeinrichtung bewirkt und damit die Intensität des dazwischenliegenden elektrischen Feldes herabsetzt.

26. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet daß eine von der Fluidverbindung herstellenden Einrichtung unabhängige Halteeinrichtung jeden Leiter in Abstand nach innen von de inneren Flächenabschnitt der Abschirmeinrichtung getrennt hält.

27. System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet daß die Halteeinrichtung eine Vielzahl von längs des Leiters verteilten Isolatoren einschließt.

28. Leitungssystem zur übertragung elektrischer Leistung, dadurch gekennzeichnet , daß ein rohrförmiger elektrische Leiter mit zwei voneinander mit einem Abstand versehenen, axial ausgerichteten Abschnitten vorhanden ist, daß mit den Abschnitten verbundene Einrichtungen diese verbinden und sie in Fluidverbindung miteinander bringen und daß die Verbindung zwischen jedem Abschnitt und der Einrichtung eine Dichteinrichtung aufweist, um ein Durchsickern von Fluid durch die Verbindungsstellen zu verhindern.

29. System nach Anspruch 28, dadurch ge.kennzeichnet daß die Einrichtung eine Hülse umfaßt, deren beide einander gegenüberliegenden Enden durch Gewinde mit jeweiligen Leiterabschnitten verbunden sind und daß die Dichteinrichtung jeweils

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eine fortlaufende Dichtung zwischen der Hülse und jedem Leiterabschnitt einschließt.

30. System nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet daß die Gewinde an den Enden der Hülse mit entgegengesetzter Steigung vergehen sind.

31. System nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet daß die Hülsen zwei einander gegenüberliegende flache Endflächen aufweist, daß jeder Leiterabschnitt eine flache Endfläche jeweils einer Endfläche der Hülse gegenüber aufweist, daß jede Endfläche und die benachbarte Endfläche jeweils miteinander ausgerichtete Nuten besitzen und die Dichtungen in entsprechenden Nuten sitzen.

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