DE2805026A1

DE2805026A1 - Sektioniertes supraleitendes wechselstromkabel

Info

Publication number: DE2805026A1
Application number: DE19782805026
Authority: DE
Inventors: Valerij Alexeevi Golentschenko; Igor Vasiljevitsch Rybin; Igor Sergeevitsc Schectschenko; Pavel Borisovi Schenderovitsch; Vladimir Georgiev Schtschedrin; Michail Lazarevitsch Vulis
Original assignee: G NEUTSCHNO I ENERGETITSCHESKI
Current assignee: G NEUTSCHNO I ENERGETITSCHESKI
Priority date: 1977-05-03
Filing date: 1978-02-06
Publication date: 1978-11-16
Also published as: DD134581A1; JPS61689B2; DE2805026C3; FR2389978B1; DE2805026B2; CA1115362A; FR2389978A1; US4184042A; JPS5412492A

Description

SCHIFF ν. FONER STREHL SCHDBEL-HOPF EBBINGHAU5 FINCK

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein sektioniertes supraleitendes Wechselstromkabel und kann beispielsweise beim Projektieren elektrischer supraleitender Kraftfernübertragungsieitungen angewendet werden.

Das gegenwärtige energetische System kennzeichnet sich durch die Pegel der Kurzschlußströme, die die Nennströme um mehr als eine Größenordnung übersteigen, wobei ihre Dauer in hohem Grade von der Verzweigung des Systems und der Organisation ihrer Schutzmaßnahmen abhängt und einige Sekunden erreichen kann.

Es gibt zwei Lösungsgruppen, die die Betriebsfähigkeit eines Supraleitkabels nach Ablauf des Kurzschlußbetriebs im energetischen System gewährleisten.

Die erste Lösungsgruppe setzt voraus, daß die supraleitenden Eigenschaften des Kabels während der gesamten Periode der Stromüberlastung erhalten bleiben müssen, wobei das Supraleitkabel entweder vom Energiesystem abgeschaltet wird oder während dieser Periode im Betrieb bleiben kann; die zweite Lösungsgruppe schafft Bedingungen, die ein Wiedererlangen der supraleitenden Eigenschaften im nichtabgeschalteten Kabel nach dem Unterbrechen der Stromüberlastung gewährleisten.

Die meisten technischen Lösungen der ersten Gruppe enthalten als Hauptelemente eine Strombegrenzungseinrichtung und einen Auslöser, wobei die Strombegrenzungseinrichtung ent-

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weder als supraleitender steuerbarer Einsatz (DE-PS 1 250 526) oder in Form verschiedenartiger Reaktanzdrosseln, Resonanzeinrichtungen bzw. induktive Nebenschlußwiderstände (SU-PS 276 224) ausgeführt sein kann. Die Auslöser können gleichfalls entweder als übliche oder supraleitend ausgeführt sein, doch muß die !Commutation des Kurzschlußstroms in beiden Fällen im warmen Zustand erfolgen.

Die Hauptmängel der Lösungen, in welchen steuerbare supraleitende Einsätze verwendet werden, sind folgende:

ein bedeutender Verbrauch von supraleitendem Material, bedingt durch die Notwendigkeit, im Kurzschlußbetrieb einen bedeutenden Widerstand zu schaffen, der den Strom begrenzt;

das Fehlen eines stabilisierenden Materials, das den Effekt der Strombegrenzung herabsetzt, und folglich die Notwendigkeit der Verwendung von Supraleitern, z.B. Blei, die eine hohe Wärmekapazität aufweisen;

die Notwendigkeit der Schaffung einer besonderen Steuerapparatur und eines Kühlsystems;

eine geringe Betriebssicherheit und hohe Herstellungskosten sowie ein bedeutender Zeitaufwand zur Wiederherstellung der supraleitenden Eigenschaften des Einsatzes für ein wiederholtes Einschalten des Kabels in die Leitung.

Für die Lösungen, die entweder auf Reaktanzdrosseln oder auf Resonanzeinrichtungen beruhen, sind die bedeutenden Außenmaße der Einrichtungen und ihre hohen Herstellungskosten kennzeichnend.

Es gibt Lösungen, die auf einer schnellwirkenden Abschaltung des Kabels ohne Anwendung von Strombegrenzern, mit Hilfe verschiedenartiger Erder, Ausschalter und Sicherungen beruhen.

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Doch ist die Schnelligkeit all dieser Einrichtungen ungenügend, und außerdem hängen alle diese Lösungen mit der Stromkreisunterbrechung zusammen, wodurch die im Kabel gespeicherte elektromagnetische Energie herausgeführt wird, und zu deren Streuung spezielle Maßnahmen vorzusehen sind, sowie Einrichtungen zur wiederholten Einschaltung des Kabels vorgesehen werden müssen.

Bekannt ist eine Lösung (GB-PS 1 272 656), welche die Erhaltung der Supraleitfähigkeit im Kurzschlußbetrieb ohne Abschalten des Kabels vom Energiesystem gewährleistet und in der Verwendung zweier Schichten eines Supraleiters besteht, wovon eine den Nennstrom und die andere den Überstrom führen soll.

Doch der hohe Anteil der Gesamtkosten der elektrischen Supraleitfernleitungen, den der Einsatz eines Kälteerzeugers verursacht, sowie die Vereinfachung des Durchpumpprozesses des Einphasenkühlmittels und die vervollkommnete Herstellungstechnologie der Supraheißleiter führte zur Verwendung eines Supraleiters mit hohen kritischen Parametern als Hauptstromführungselement im Nennbetrieb. So zeigten beispielsweise einige Untersuchungen, durchgeführt mit dem Supraleiter Nb-gSn (Niob-Zinn), daß die Größe (H) des Durchdringungsfeldes und die Dicke (^ ) der Supraleitschicht folgendermaßen miteinander zusammenhängen:

H - Y~l~ (1)

Venn man folglich zur Führung des tlberstroms einen Supraleiter analog der Hauptschicht wählt, so muß man, um in ihm den gleichen Verlustpegel zu erhalten, seine Dicke im Vergleich zur Schicht des Hauptsupraleiters im Quadratverhältnis des Überstroms und Nennstroms vergrößern, d.h. die Schichtdicke des stabilisierenden Supraleiters wird um mindestens zwei Größenordnungen die Dicke der Hauptschicht übersteigen und einen Millimeter erreichen.

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Die Herstellung eines Supraleiters von dieser Dicke und von solchen kritischen Parametern ist bei der gegenwärtigen Technologie praktisch unmöglich.

Da die Verluste in solchen Supraleitern mit der Größe des Durchdringungsfeldes ausgesprochen nichtlinear zusammenhängen, nämlich mit einem Exponenten, der Eins bedeutend übersteigt, ist bei der Ausführung der zweiten Schicht des Supraleiters (berechnet für einen Kurzschlußbetrieb), die nur einige Male dünner ist, als das aus der angeführten Bedingung O) verlangt wird, ein Stabilisieren der Hauptschicht des Supraleiters einfach unmöglich.

Darum gilt als der einfachste und annehmbarste Lösungsweg des Überlastungsproblems die Zulassung eines Verlustes der Supraleitfähigkeit des Kabels für die Dauer der Stromüberlastung mit einer nachfolgenden Wiederherstellung der Supraleiteigenschaften.

Diese Lösung fordert kein Abschalten des Kabels und stellt keine fast unausführbaren Bedingungen zur Herstellung des Supraleiters.

Praktisch sind sämtliche derartigen Lösungen unmittelbar mit der Konstruktion des Kabels verbunden.

Bekannt ist die Verwendung einer stabilisierenden Unterlage des supraleitenden stromführenden Systems als Transportweg des Kurzschlußstroms.

In diesem Falle erfolgt jedoch die Wiederherstellung der Supraleitfähigkeit nur bei einem bestimmten Zusammenhang der Höhe der Wärmeabgabe in der Unterlage, der Menge und Wärmekapazität des Kälteträgers und der Bedingungen des Wärmeaustausches, was hauptsächlich durch eine entsprechen-

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de Wahl der Außenmaße des Kabels erreicht wird.

Gleichzeitig verursacht die möglichst vollständige Verwertung der stromführenden Eigenschaften eines supraleitenden Materials eine bedeutende Kürzung der Aufwände für das Stromführungssystem und den Kryogenmantel und verringert außerdem den äußeren Wärmeeinfall. Dabei hängt die Optimierung einer superleitfähigen elektrischen Fernleitung in hohem Maße von der Herstellungstechnologie der steifen Supraleiter und den Kosten der Kühlanlagen ab. Mit steigender Vervollkommnung der Herstellungsverfahren der Supraleiter und der Konstruktion der Kälteerzeuger werden die Außenmaße der Kabel annähernd minimal und werden dabei durch die stromführende Fähigkeit des Supraleiters bestimmt.

Doch liefert gegenwärtig die Optimierung einer supraleitfähigen elektrischen Fernleitung in den meisten Fällen annähernd minimale Kabelmaße, was den Bedingungen widerspricht, die eine Rückerlangung der supraleitfähigen Eigenschaften nach dem Kurzschlußbetrieb gewährleisten.

Und wirklich, die direkte Bestimmung einer aus normalem Metall hergestellten Unterlage eines Supraleiters ist das Stabilisieren des Supraleiters bei verschiedenartigen Störungen im Zusammenhang mit Sprüngen des Magnetflusses, mechanischen Verstellungen, der Ungleichartigkeit der Eigenschaften des Supraleiters, welche örtliche Abschnitte des Supraleiters in einen Normalzustand überführen. Dabei spielt die Unterlage die Rolle eines Nebenschluß und Wärmeleitungselements, weshalb praktisch Jeder Abschnitt des Supraleiters einen einwandfreien Wärme- und elektrischen Kontakt mit der Unterlage haben muß.

Der Transport des elektrischen Stroms durch die Unterlage im Kurzschlußbetrieb dank der Gegenwart des oben erwähnten guten Wärmekontakts mit dem Supraleiter bewirkt jedoch eine

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bedeutende Erwärmung des supraleitenden stromführenden Systems, deren Verringerung bis auf ein Niveau der Erhaltung der supraleitenden Eigenschaften praktisch unmöglich ist, da die Verluste beim Wechselstrom sogar in sehr reinen Metallen um ganze Größenordnung die Hysteresisverluste im Supraleiter übersteigen.

Wie bereits erwähnt wurde, wird das Wiedererlangen der Supraleiteigenschaften des Kabels nur bei einem bestimmten Zusammenhang des Wärmeabgabepegels in der Unterlage mit dem Volumen des Kälteträgers gewährleistet, wodurch die Außenmaße des Kabels bestimmt werden, die die Außenmaße eines für den Nennbetrieb berechneten Kabels um ein mehrfaches einige Male übersteigen.

Der erfindungsgemäßen Kabelkonstruktion steht am nächsten die Konstruktion eines sektionierten supraleitfähigen Kabels (US-PS 3 600 498), mit einem Wärmeisolationsmantel, einem Schirm aus einem Supraleiter mit einer stabilisierenden Unterlage und einem Phasenleiter mit mindestens einem Stromleiter aus zwei Adern, wovon eine als Hohlelement mit einem Supraleiter und einer stabilisierenden Unterlage ausgeführt ist, und die andere Ader innerhalb der ersten untergebracht ist.

Im genannten Supraleitkabel enthält die innere Ader gleichfalls einen Supraleiter und ist zum Transport des Gleichstroms gleichzeitig mit der Außenader bestimmt, während den Wechselstrom nur die Außenader überträgt. Falls die elektrische Energie durch Wechselstrom übertragen wird, kann man die Innenader als zusätzliches Stabilisierelement des Nennbetriebs betrachten,das gemeinsam mit der Außenader den Überstrom führt.

Von einem bestimmten Wert der Stromüberlastung an, der be-

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deutend tiefer unter dem Niveau der Kurzschlußströme liegt, wird die Arbeitsweise eines solchen Kabels und dessen Zustand einem Kabel äquivalent, in dem die Unterlage des Supraleiters zur Führung der Kurzschlußströme bestimmt ist. Trotz der Vorteile dank der Möglichkeit einer Verwendung sowohl in Wechselstrom- als auch in Gleichstromkreisen ist dieses Kabel mit allen oben erwähnten Mangeln behaftet, die kennzeichnend sind für einen Kurzschlußbetrieb sowohl als eine Konstruktion eines Kabels mit einem Doppelschichtsupraleiter als auch eines Kabels mit einem Supraleiter, dessen stabilisierende Unterlage den Kurzschlußstrom führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein die Schwierigkeiten und Nachteile des Standes der Technik vermeidendes sektioniertes supraleitendes Wechselstromkabel zu schaffen, welches durch entsprechende Wahl der Materialzusammensetzung der Kabelelemente aufgrund der Berechnungszusammenhänge, die zweckmäßige Anordnung dieser Elemente, die erforderlichen elektrischen Verbindungen und die Einführung zusätzlicher Konstruktionsgruppen gelöst wurde.

Das wird dadurch erreicht, daß im erfindungsgemäßen sektionierten Supraleitwechselstromkabel, enthaltend einen Wärmeisoliermantel, einen Schirm aus einem Supraleiter mit einer stabilisierenden Unterlage und einen Phasenleiter, der mindestens einen Stromleiter aus zwei Adern in sich einschließt, wovon eine als Hohlelement mit einem Supraleiter und einer stabilisierenden Unterlage ausgeführt ist, und die andere Ader innerhalb der ersten untergebracht ist, erfindungsgemäß die stabilisierende Unterlage jeder Sektion des Phasenleiters aus lokalen Strecken des stabilisierenden Materials gebildet ist, die durch ein Material von einer geringeren elektrischen Leitfähigkeit als das stabilisierende Material voneinander getrennt sind, wobei der Wirkwiederstand der Unterlage im Bereich einer Sektion den induktiven Widerstand

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des Phasenleiters dieser Sektion übersteigt, und die beiden Adern des Phasenleiters mindestens an den Stellen, die zum Anschluß der Endgeräte bestimmt sind, elektrisch verbunden sind, wobei die Innenader aus einem Normalmetall ausgeführt ist, und die Dicke des stabilisierenden Materials der Unterlage die effektive Eindringtiefe des Wechselstroms nicht übersteigt.

Es ist auch zweckmäßig, die stabilisierende Schirmunterlage analog der Unterlage des Phasenleiters auszuführen.

Als Trennmaterial der Unterlagen kann man ein Dielektrikum verwenden.

Es ist zweckmäßig, falls der Schirm als Rückleitung verwendet wird, den Schirm mit einer Ader aus einem Normalmetall zu versehen, die den Schirm von außen umfaßt und von ihm durch eine Wärmeisolation getrennt ist, wobei der Schirm und die Ader wenigstens an den Stellen elektrisch zu verbinden sind, die zum Anschluß-der Endgeräte bestimmt sind. Um die Herstellungstechnologie des Kabels zu vereinfachen, kann man als Trennmaterial der Unterlagen ein Metall bzw. eine Legierung verwenden.

Um die Stabilisierung des Kabels im Nennbetrieb zu verbessern, ist es zweckmäßig, die lokalen Strecken des stabilisierenden Materials der Unterlagen mit einem supraleitenden Material zu bewehren.

Falls als Trennmaterial Metall bzw. eine Legierung verwendet wird, kann man die Außenfläche des Trennmaterials des Schirms und die Innenfläche des Trennmaterials des Phasenleiters mit einer Schicht eines Supraleitmaterials, beispielsweise analog dem Hauptsupraleiter überdecken.

Es ist zweckmäßig, zur Herabsetzung des Metallbedarfs der Konstruktion und zur Erhöhung der stabilisierenden Wirkung

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der Ader aus einem Normalmetall des Phasenleiters im Nennbetrieb des Kabels, die Normalmetallader und die supraleitende Ader des Phasenleiters durch eine Wärmeisolation zu trennen.

Es ist auch vorteilhaft, um den Effekt der Wärmeisolation zu erhöhen, die elektrische Verbindung der entsprechenden Ader aus einem Normalmetall und der Supraleitader, sowie die Adern aus einem Normalmetall und der Rückleitung mit Hilfe von Bügeln aus einem Supraleitmaterial zu verwirklichen.

Außerdem ist es zweckmäßig, um die Betriebssicherheit des Kabels im Überlastungszustand zu erhöhen, mindestens an den Stellen, die zum Anschluß der Endgeräte bestimmt sind, Einsätze anzuwenden, die aus einem supraleitenden Material zweiter Art ausgeführt sind, das der Bedingung entspricht;

^H2 ^ ¹Z (2)

worin H₁ und Hp das erste bzw. zweite kritische Feld des supraleitenden Materials des Einsatzes,

I₁ und Ip den Nenn- bzw. Überstrom des Kabels bezeichnen.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt eines Einphasen-Supraleitkabels mit rohrförmigen Koaxialadern;

Fig. 2 den Längsschnitt des Kabels der Fig. 1;

Fig. 3 die Konstruktion der stabilisierenden Unterlage der Supraleitader;

Fig. 4 den Schnitt IV-IV der Fig. 3;

Fig. 5 die elektrische Verbindung der supraleitenden

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Ader mit der Normalmetallader für den Hin- und Rückleiter, eines Einphasenkabels;

Fig. 6 den Querschnitt eines Dreiphasen-Supraleitkabels mit Bandleitern;

Fig. 7 eine AusführungsVariante der Konstruktion eines Einphasenkabels mit einer Wärmeisolation;

Fig. 8 eine AusführungsVariante der Konstruktion eines Einphasenkabels, dessen Stabilisiermaterial der Unterlage mit einem Supraleitmaterial armiert ist; und

Fig. 9 den Längsschnitt eines Einphasenkabels, zwischen dessen Sektionen Einsätze angeordnet sind.

Das Kabel enthält einen Wärmeisoliermantel 1 (Fig. 1, 2) und einen Phasenleiter 2, der eine Ader 3 in Form eines Hohlelements mit einem Supraleiter 4 einschließt und durch eine Unterlage 5 stabilisiert ist, und eine Ader 6 aus einem Normalmetall, die innerhalb der Ader 3 untergebracht ist, sowie einen Schirm 7 aus einem Supraleiter. Jeder Schirm 7 bzw. Rückleiter, der als Schirm verwendet wird (weiterhin als als Rückleiter 7 bezeichnet), ist mit einer Unterlage 8 versehen, analog der Unterlage 5 des Phasenleiters 2, und der Rückleiter 7 ist außerdem von außen durch die Ader 9 aus einem Normalmetall umfaßt. Die stabilisierenden Unterlagen 5, 8 sind aus den lokalen Strecken 10 (Fig. 3, 4) des stabilisierenden Materials gebildet, die durch ein Material 11 von einer geringeren elektrischen Leitfähigkeit voneinander getrennt sind. Elektrisch verbunden sind die Ader 6 mit der Ader 3 sowie die Ader 9 mit dem Rückleiter 7 an den Stellen 12 (Fig. 5), welche zum Anschluß der Endgeräte 13 zur Ein- und Ausführung der Leistung bestimmt sind; sie können nötigenfalls in den Stoßstellen 14 der Kabelsektionen 15 verbunden werden. Die Kühlung des Kabels erfolgt durch Helium, das in den Hohlraum 16 (Fig. 1, 2) zugeführt wird, und in

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einem Einphasenkabel mit rohrförmigen Leitern gleichzeitig die Hauptelektroisolation darstellt. Die Elektroisolation in einem Dreiphasenkabel mit Bandleitern wird mit Hilfe eines starren Banddielektrikums 17 (Fig. 6) verwirklicht.

Der Hin- und Rückleiter in einem Einphasenkabel werden mit Hilfe dielektrischer Einsätze 18 (Fig. 1, 1) auf Abstand gehalten, die mit Elektroden 19 versehen sind.

Die Ader 6 wird durch Stützen 20 und der gesamte Stromleiter in einem Einphasenkabel durch Stützen 21 auf Abstand gehalten.

Das Dreiphasenkabel enthält einen Phasenleiter 2 und die Phasen 22, 23 (Fig. 6) sind analog einem im Schnitt dargestellten Phasenleiter 2 ausgeführt. In Fig. 6 ist ein Stützelement 24 der Supraleitader 3 eines Kabels mit Bandleitern dargestellt.

Die Vorzüge einer derartigen Kabelkonstruktion lassen sich am einfachsten am Beispiel eines Einphasenkoaxialkabels mit einem rohrförmigen Phasenleiter 2 und einem Rohrschirm betrachten, der gegebenenfalls einen Rückleiter darstellt (Fig. 1,2).

Die Stromverteilung zwischen der supraleitenden Ader und der Normalmetallader für eine koaxiale Konstruktion eines Einphasenkabels kann analytisch folgendermaßen dargestellt werden:

U[R₁ (R₁+R₂+(ύ? Δ L)²J

(R₁+R₂) ^ + (<'<U L)

worin I^ den Strom in der Supraleitader, I^ den Gesamtstrom am Kabeleingang,

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R₁ den Wirkwiderstand der Normalmetallader, R₂ den effektiven (äquivalenten) Wirkwiderstand der supraleitenden Ader unter Berücksichtigung des

Widerstandes der Unterlage und U. A L die Differenz der induktiven Widerstände der Supraleitader und der Normalmetallader

bezeichnen.

Für ein Supraleitkabel, in welchem reine Metalle verwendet werden, ist die Erfüllung der folgenden Bedingung kennzeichnend:

ο) Δ ii>R₁ (4)

Wenn der Eingangsstrom Ir des Kabels den kritischen Wert nicht übersteigt, fließt der Gesamtstrom durch die supraleitende Ader, d.h.

Bei einem Anstieg des EingangsStroms über den kritischen Wert beginnt jedoch eine schroffe Widerstandserhöhung des Supraleiters infolge einer Bewegung der Magnetstromfäden. Da die supraleitende Ader sich in einem Kühlmedium mit einem Endwert der Wärmedurchgangszahl befindet, so beginnt eine Aufheizung des Supraleiters, die einen lavinenartigen Prozeß der Zerstörung der Supraleitfähigkeit einleitet, d.h. zu einem Anstrieg des Widerstands Rp bis auf einen Wert führt, der einem Supraleiter entspricht, welcher in den Normalzustand übergegangen und durch die Unterlage überbrückt ist.

Mit steigendem Wert von R₂ erfolgt eine Stromneuverteilung zwischen der supraleitenden und der Normalmetallader.

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So erhält man z.B. bei R₂ = ti Δ L

I*

= 0,5

Für ein Kabel mit einer Unterlage mit üblicher Konstruktion, jedoch mit einer Normalmetallader wird der Widerstand der supraleitenden Ader durch den Widerstand der Unterlage bestimmt, der wenn auch gleich dem induktiven Widerstand ncALU »_f _Was nach den Stabilisierungsbedingungen eines Supraleiters im Nennbetrieb unzulässig ist, zu einer analogen Stromneuverteilung führt:

= 0,5

In der vorliegenden Konstruktion werden die Werte von Rp infolge einer bedeutenden Widerstandserhöhung der Unterlage gegenüber dem Transportstrom den Wert von " Q Δ Ii " übersteigen, wodurch ein Verhältnis der Stromneuverteilung entsteht, das sich folgendermaßen ausdrücken läßt:

cJ i.

Folglich wird der größere Teil des Stromes in die Normalmetallader verdrängt, die beispielsweise aus transponierten Leitern ausgeführt ist, für die die Werte der Wärmeabgabe nicht mehr durch den Umfang der supraleitenden Ader, sondern durch ihren Querschnitt bestimmt werden. Dann wird die Verringerung der Wärmeabgabe in einer derartigen Ader im Vergleich zur Wärmeabgabe in der Unterlage eines Kabels von üblicher Konstruktion durch folgende Beziehung bestimmt:

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worin W₁ die Wärmeabgabe in der Unterlage eines Kabels von üblicher Konstruktion,

Wp die Wärmeabgabe in der Normalmetallader der vorliegenden Kabelkonstruktion,

k den Querschnittsfüllfaktor des Phasenleiters durch eine Normalmetallader,

D den Durchmesser des Phasenleiters und

c die Skinschicht des stabilisierenden Materials der Unterlage

bezeichnen.

Die Beseitigung des merklichen Einflusses der Wirbelstromverluste in den Leitern der Normalmetallader auf die gesamte Wärmeabgabe in ihr läßt sich durch entsprechende Wahl des Durchmessers der einzelnen Aderleiter leicht verwirklichen.

Die an die Höhe des Widerstands der Supraleitader gestellten Forderungen können aus folgenden Erwägungen bestimmt werden.

Die Größe der Wärmeabgabe in der Unterlage eines Kabels von üblicher Konstruktion ist gleich

W = I² R (7)

worin I den Überlaststrom (Eingangsstrom eines Kabels) und R den Widerstand der Unterlage

bezeichnen.

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Der Widerstand der Unterlage wird folgendermaßen bestimmt:

worin / den spezifischen elektrischen Widerstand des stabilisierenden Materials der Unterlage und

1 die Kabellänge
bezeichnen.

Andererseits ist die Wärmeabgabe in der Supraleitader (bei der gleichen Kabellänge) gleich

w = i² -¹—: (9).

Folglich muß der Widerstand der Supraleitader größer sein als

Beim Erfüllen der genannten Bedingung (10) erweisen sich die gesamten Werte der Wärmeabgabe in der Normalmetallader und der supraleitenden Ader bedeutend geringer als die Verluste in der Unterlage eines Kabels von üblicher Konstruktion und gleichen Durchmessers.

Wenn aber praktisch der gesamte Kurzschlußstrom durch die Normalmetallader fließt, befindet sich die Unterlage der Supraleitader in einem magnetischen Wechselfeld, und in das stabilisierende Material der Unterlage werden Wirbelströme induziert. Die Wahl der Dicke des stabilisierenden Materials der Unterlage geringer als dessen Skinschicht verursacht eine Verringerung der Wirbelstromverluste im Verhältnis zu den Wärmeabgabewerten in der Unterlage eines Kabels von üblicher Konstruktion, die durch die folgende Formel bestimmt

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ο
N= 0,5 "( -|— 9 (11)

worin N zeigt, wieviele Male die Wirbelstromverluste kleiner als die Verluste vom Transportstrom in der Unterlage eines Kabels von üblicher Konstruktion sind.

Eine wesentliche Dickenverringerung des stabilisierenden Materials der Unterlage wird durch die Forderungen zum Stabilisieren der supraleitenden Ader im Nennbetrieb begrenzt.

Folglich kann man den höchsten Effekt der Herabsetzung der Wärmeabgabe und daher auch einer möglichen Verringerung der Außenmaße eines Kabels in einer Konstruktion erreichen, in welcher Supraleiter verwendet werden, die im Normalzustand einen höheren Widerstand aufweisen, deren stabilisierende Unterlage dem Transportstrom den höchsten Wiederstand leistet, wobei die Dicke des stabilisierenden Materials der Unterlage geringer als dessen Skinschicht sein muß.

Die durchgeführten Beurteilungen zeigten, daß in der genannten Kabelkonstruktion den größten Anteil an der Wärmeabgabe die Wirbelstromverluste in der Unterlage darstellen.

Eine Überbrückung der Kabelstrecken durch eine Normalmetallader bietet die Möglichkeit, den Supraleiter des Kabels gegen ein Ausbrennen in dem Falle zu schützen, wenn trotz der stabilisierenden Wirkung der Unterlage im Nennbetrieb des Kabels die Normalzone sich am Supraleiter weiter fortsetzt. Eine derartige Überbrückung erhöht die Betriebssicherheit des Kabels im Nennbetrieb.

In Fig. 7 ist eine Variante einer Kabelkonstruktion an einem Beispiel eines Einphasenkabels mit rohrförmigen Koaxiallei-

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tern dargestellt, für welche die Trennung der Normalmetallader 6 von der supraleitenden Ader 3 sowie die Trennung des Rückleiters 7 von der ihn umfassenden Normalmetallader 9 durch eine effektive Wärmeisolation, z.B. durch Vakuum kennzeichnend ist.

Die supraleitende Ader 3 und der Rückleiter 7 sind einzeln mit einer vakuumdichten Hülle 25, z.B. aus Stahl, versehen und von den entsprechenden, in Form von Rohrleitern ausgeführten Normalmetalladern durch eine Wärmeisolation 26 - gegebenenfalls durch Vakuum - getrennt. Die elektrische Verbindung der Adern 3, 6 miteinander sowie des Rückleiters 7 mit der Ader 9 ist mit Hilfe von Bügeln 27 aus einem supraleitenden Material verwirklicht. Die Anordnung der Adern 6, 9 wird durch die Stützen 28 von geringer Wärmeleitfähigkeit gewährleistet.

In diesem Falle dient die Normalmetallader als Wärme speicher für die Kurzschlußdauer, wobei' die Wärmeabfuhrgeschwindigkeit in den Kälteträger sich mit der Durchflußgeschwindigkeit des Kälteträgers in Übereinstimmung bringen läßt.

Die Einführung einer Wärmeisolation ermöglicht eine weitere Verringerung der Kabelmaße, eine Konstruktionsvereinfachung der Normalmetallader, die beispielsweise röhrenförmig gestaltet werden kann, den Metallaufwand dieser Ader zu verringern, einen weniger reinen, dafür aber billigeren Leiter zu wählen, die Zuverlässigkeit der stabilisierenden Wirkung dieser Ader auf den Supraleiter im Nennbetrieb des Kabels zu erhöhen. Zur elektrischen Verbindung der supraleitenden Ader 3 mit der Normalmetallader 6 (analog dem Rückleiter 7 und dessen Ader 9) kann man in diesem Falle Bügel aus einem supraleitenden Material verwenden, was eine Wärmeentkopplung der genannten Verbindung darstellt. Darüberhinaus ermöglicht die Wärmeisolation, die Normalmetallader 6 ungekühlt bzw.

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gekühlt auszuführen, wobei die Kühlung der Ader 6 sich von der Kühlung der supraleitenden Ader 3 des Kabels unterscheiden kann und sich beispielsweise durch den ausgefrorenen Kälteträger, z.B. Wasserstoff verwirklichen läßt, was bestimmte Vorteile aufweist.

Wie bereits betont wurde, stellen die Wirbelstromverluste im stabilisierenden Material der Unterlage einen bedeutenden Anteil der Wärmeabgabe im Kurzschlußbetrieb dar, deren Höhe mit der Dicke und dem spezifischen elektrischen Widerstand dieses Materials zusammenhängt.

Doch ist die Dickenverringerung bzw. die Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit des stabilisierenden Materials durch die Bedingungen der Stabilisierung des Supraleitkabels in seinem Nennbetrieb begrenzt.

Andererseits setzt die Verwendung solcher Supraleiter,wie beispielsweise Nb^Sn (Niob-Zinn) , deren Herstellungstechnologie die Gegenwart einer Niob-Unterschicht (Nb) bedingt, die den Supraleiter und die Unterlage überbrückt, die Forderungen der Elektroleitfähigkeit des Trennmaterials der Unterlage herab, das kein Dielektrikum, sondern, wie in diesem Falle Niob bzw. eine Nioblegierung sein kann.

All das ermöglicht die Entwicklung einer KonstruktionsVariante, dargestellt in Fig. 8, wo als Ausführungsbeispiel der Konstruktion ein Einphasen-Koaxialkabel mit rohrförmigen Leitern gezeigt ist, dessen Herstellungstechnologie vereinfacht ist, während die stabilisierenden Eigenschaften der Unterlage bedeutend verbessert wurden.

Die lokalen Strecken 10 des stabilisierenden Materials der Unterlagen 5, 8 sind mit einem Supraleiter 29 armiert, und die Außenfläche des Trennmaterials 11 der Unterlage 8 des

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Schirms 7 sowie die Innenfläche des Trennmaterials 11 der Unterlage 5 der Supraleitader 3, ausgeführt beispielsweise aus Niob, legiert mit Zirkonium, sind mit einer Schicht eines Supraleiters 30, z.B. Nb-^Sn (Niob-Zinn) überzogen.

Die in den Unterlagen 5, 8 angewandten supraleitenden Stoffe übersteigen hinsichtlich der Stromleitfähigkeit den Hauptsupraleiter nicht und erzeugen keine einheitlichen supraleitfähigen Transportkreise, sie führen bloß zu einer bestimmten lokalen Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit, wodurch die Wärmeabgabe beim Stabilisieren des HauptSupraleiters herabgesetzt wird, und die Möglichkeit entsteht, die Dicke der Unterlage zu verringern, bzw. die Reinheit des Normalmetalls zu verschlechtern, was eine Verringerung der Wirbelstromverluste hervorruft.

Eine derartige Lösung schafft die Voraussetzung zur Verwertung der Fabrikationsabfälle bei der Herstellung supraleitender Schienen für verschiedenartige Magnetsysteme und elektrische Maschinen, und stützt sich außerdem auf die gegenwärtige Technologie der Auftragung von Supraleitern.

Die gegenwärtig fortschrittlichste Herstellungstechnologie der Halbzeuge für die stromführenden Adern, beispielsweise eines rohrförmigen Koaxialkabels verwendet für diese ein metallurgisches Herstellungsverfahren, was eine wesentliche Vereinfachung bedeutet, falls als Trennmaterial in der Unterlage solche Stoffe wie z.B. Niob, legiert mit verschiedenen Zusätzen bzw. dessen Legierungen angewandt werden.

Sehr verlockend, wie bereits betont wurde, ist die Herstellung einer Kabelkonstruktion, die eine Erhaltung der Supraleitfähigkeit im Kurzschlußbetrieb gewährleistet.

Wie bereits erwähnt wurde, ist die Umverteilung des Stroms

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zwischen der supraleitenden Ader 3 und der Normalmetallader umso besser, je höher der elektrische Widerstand der supraleitenden Ader ist, dessen Maximalwert beim Verlust der Supraleitfähigkeit erreicht wird. Den Verlust der Supraleitfähigkeit erreicht man durch eine Wärmeflußsperre des Supraleiters, doch läßt sich der gleiche Effekt auch bei einer
Sperre des Supraleiters durch ein Magnetfeld erreichen.

Dennoch haben die im Kabel angewandten Supraleiter hohe kritische Parameter, und zwar solche, daß die sperrenden Magnetfelder um eine Größenordnung und mehr das Feld des Kurzschlußstroms übersteigen.

Dadurch läßt sich eine Kabelkonstruktion verwirklichen, die ein selektives Sperren der zwischen den einzelnen Kabelsektionen im voraus angeordneten Einsätze gewährleistet, die
aus einem supraleitfähigen Material zweiter Art ausgeführt
sind, welches der folgenden Bedingung entspricht:

H₁ I₁

(12)

worin H₁, Hp das erste bzw. zweite kritische Feld des
supraleitfähigen Materials des Einsatzes
und
I₁, Ip den Nenn- bzw. Überstrom des Kabels

bezeichnen.

Die genannten Einsätze kann man an jeder Stoßstelle der Kabelsektionen anordnen, sie können aber auch einzelne Abschnitte oder sogar einen gemeinsamen Abschnitt darstellen, die an einer beliebigen Stelle der Kabeltrasse angeordnet
sind.

Die Gesamtlänge dieser Einsätze muß einen Widerstand ergeben,

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der eine solche Stromverteilung gewährleistet, daß unter Berücksichtigung sonstiger Wärmeabgaben in den Supraleiter, nämlich der Wirbelstromverluste, die Supraleiteigenschaften dieser Ader erhalten bleiben, und daß sie den Reststrom ohne Ve rluste überträgt.

Der Einsatz wird durch das Feld des Kurzschlußstroms gesperrt, in ihm werden die Hauptwärmeabgaben konzentriert, doch wird die Organisation der Kühlung dieser im voraus bekannten Stellen einfacher und kann sich von der Kühlung des gesamten Kabels unterscheiden. Die Kühlung des Einsatzes kann beispielsweise isoliert von der Kühlung des Kabels erfolgen, wobei diese beiden verschiedenen Kühlsysteme innerhalb des Kabels wärmeisoliert sein können. Im Überlastbetrieb, und besonders nach dessen Beendigung kann der Einsatz forciert gekühlt werden.

Im Gegensatz zu den bekannten steuerbaren supraleitenden Einsätzen von strombegrenzender Wirkung ist der vorliegende Einsatz lediglich zum Gewährleisten der Stromverteilung erforderlich, wozu, erstens, ein wesentlich geringerer ohmscher Widerstand des Einsatzes beim Verlust seiner Supraleitfähigkeit als zur Strombegrenzung an einer konkreten Anordnungsstelle des SupraleitkabeIs im Energiesystem erforderlich ist, was eine Einsparung des Supraleiters bedeutet, und, zweitens, werden keine Steuereinrichtungen benötigt, wodurch die Betriebssicherheit des Kabels erhöht wird.

Die Ausführung der Konstruktion der Einsätze ist am Beispiel eines Einphasenkabels in Fig. 9 dargestellt.

Das Kabel ist mit den Einsätzen 31 versehen, die den Supraleiter 32 verwenden, der der oben bestimmten Bedingung genügt. Die Konstruktion der Unterlage des Supraleiters des Einsatzes 31 ist analog der Konstruktion der Unterlagen 5,8.

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Es ist zu beachten, daß man für den Supraleiter des Einsatzes auch eine andere Stabilisierungsart wählen kann, beispielsweise der Enthalpie, wodurch die Möglichkeit entsteht, die Unterlage aus einem wärmespeicherfähxgen Material mit hohem elektrischem Widerstand auszuführen.

Außerdem ist ein Spezialfall möglich, wenn das gesamte Kabel aus einem derartigen Supraleiter hergestellt wird, wodurch die Möglichkeit entsteht, den Strom zwischen der supraleitenden Ader und der Nor malme tallade'r in einem praktisch "kalten" supraleitenden Stromführungssystem zu verteilen.

Es isst zu beachten, daß die Verwendung der Einsätze 31 die Möglichkeit bietet, den Inhalt des stabilisierenden Materials in der Unterlage des Supraleiters der Kabelsektionen zu vergrößern.

Die Außenmaße der Einsätze, besonders unter Berücksichtigung einer anderen Art ihrer Kühlung, können sich von den Außenmaßen der Kabelsektionen nicht unterscheiden. In der vorliegenden Ausführungsvariante ist eine Wärmeisolation der Normalmetalladern nicht vorgesehen.

Die vorgelegten Konstruktionsvarianten eines mehrfach sektionierten Supraleitwechselstromkabels ermöglichen seine Ausführung praktisch für die Nennwerte der Übertragung der elektrischen Energie unabhängig von den Kennwerten des Kurzschlußbetriebs und der Anordnungsstelle des Kabels im Energiesystem.

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Claims

PATENTANWÄL TE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜ BEL-HOPF EBB1NGHAUS FlNCK"

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÜNCHEN 9O ^ 8 0 5 Q 2

POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-800O MDNCHEN 95 fr V W V V *r V

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ski j energetitscheskij institut imeni ^D1PL·^CHEM·^DR·^{ALEXANDER v}·^FüNER

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dipl ing. peter strehl

_D1PL._CHEM. _{DR URSULA}

DIPL. ING. DIETER EBBINSHAUS DR. ING. DIETER FINCK

TELEFON (039)48 2064 TELEX B-23E65 AURO D

TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN

DA-18341 6. Februar 1978

SEKTIONIERTES SUPRALEITENDES WECHSELSTROMKABEL Patentansprüche

(1.xSektioniertes supraleitendes Wechselstromkabel, mit einem wärmeisolierenden Mantel, einem Schirm aus einem Supraleiter mit einer stabilisierenden Unterlage, und einem Phasenleiter mit zumindest einem Stromleiter aus zwei Adern, wovon eine als Hohlelement mit einem Supraleiter und einer stabilisierenden Unterlage und die andere Ader innerhalb der ersten untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet , daß die stabilisierende Unterlage (5) jeder Sektion (15) des Phasenleiters (2) und/oder die stabilisierende Unterlage (8) des Schirms (7) durch lokale Strecken (10) eines stabilisierenden Materials gebildet sind, die durch ein Material (11) von geringerer Elektroleitfähigkeit als die des stabilisierenden Materials

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getrennt sind, wobei der Wirkwiderstand der stabilisierenden Unterlagen (5, 8) in den Bereichen einer Sektion (15) den induktiven Widerstand des Phasenleiters (2) dieser Sektion übersteigt, und daß die beiden Adern (3, 6) des Phasenleiters (2) mindestens an den Stellen (12) elektrisch verbunden sind, die zum Anschluß der Endgeräte (13) bestimmt sind, wobei die Innenader (6) aus einem Normalmetall ausgeführt ist, und die Dicke des stabilisierenden Materials der Unterlagen (5, 8) die effektive Eindringtiefe des Wechselstroms nicht übersteigt.
2. Wechselstromkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Trennmaterial der Unterlagen (5, 8) ein Dielektrikum darstellt.
3. Wechselstromkabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zur Verwendung des Schirms (7) als Rückleiter, der Schirm mit einer Normalmetallader (9) versehen ist, die den Schirm (7) von außen umfaßt und von ihm durch eine Wärmeisolation (26) getrennt ist, wobei der Schirm (7) und die Ader (9) mindestens an den Stellen (12) miteinander elektrisch verbunden sind, die zum Anschluß der Endgeräte (13) bestimmt sind.
4. Wechselstromkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennmaterial (11) der Unterlagen (5, 8) ein Metall bzw. eine Metallegierung darstellt.

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5. Wechselstromkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lokalen Strecken (19) des stabilisierenden Materials der Unterlagen (5,8) mit einem supraleitenden Material (29) armiert sind.
6. Wechselstromkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Trennmaterials (11) des Schirms (7) und die Innenfläche des Trennmaterials (11) des Phasenleiters (2) bei der Verwendung von Metall bzw. einer Metallegierung als Trennmaterial der Unterlage, mit einer Schicht eines Supraleitmaterials (30) überzogen sind.
7. Wechselstromkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Normalmetallader (6) und die supraleitende Ader (3) des Phasenleiters durch eine Wärmeisolation (26) voneinander getrennt sind.
8. Wechselstromkabel nach Anspruch 7, dadurch g e kennze ichnet , daß die Normalmetallader (6) und die supraleitende Ader (3) des Phasenleiters (2) sowie die Normalmetallader (9) und der Rückleiter (7) durch Bügel (27) aus einem supraleitenden Material miteinander verbunden sind.
9. Wechselstromkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens

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~⁴~ 280502S

an den Kabelstellen (12), die zum Anschluß der Endgeräte (13) bestimmt sind, Einsätze (31) aus einem supraleitenden Material (32) zweiter Art angeordnet sind, das der Bedingung

^H2 ^ ¹Z

genügt, worin

H₁ und H₂ das erste bzw. zweite kritische Feld des

Supraleitmaterials des Einsatzes, und I₁ und Ip den Nenn- bzw. den Überlaststrom des Kabels

bezeichnen.

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