DE2805026B2

DE2805026B2 - Supraleitendes Wechselstromkabel

Info

Publication number: DE2805026B2
Application number: DE2805026A
Authority: DE
Inventors: Valerij Alekseevitsch Golentschenko; Igor Vasiljevitsch Rybin; Pavel Borisovitsch Schenderovitsch; Igor Sergeevitsch Schevtschenko; Vladimir Georgievitsch Schtschedrin; Michail Lazarevitsch Vulis
Original assignee: Gosudarstvennyj Nautschno-Issledovatelskij Energetitscheskij Institut Imeni Gm Krschischanovskogo Moskau
Current assignee: Gosudarstvennyj Nautschno-Issledovatelskij Energetitscheskij Institut Imeni Gm Krschischanovskogo Moskau
Priority date: 1977-05-03
Filing date: 1978-02-06
Publication date: 1980-02-07
Also published as: DD134581A1; JPS61689B2; DE2805026C3; FR2389978B1; CA1115362A; FR2389978A1; DE2805026A1; US4184042A; JPS5412492A

Description

H\ und //2 das erste bzw. zweite kritische Feld des Supraleitmaterials des Einsatzes und

/ι und I₂ den Nenn- bzw. den Überlaststrom des Kabels bezeichnen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein supraleitendes Wechselstromkabei und kann beispielsweise beim Projektieren elektrischer supraleitender Kraftfernübertragungsleitungen angewendet werden.

Das gegenwärtige energetische System kennzeichnet sich durch die Pegel der Kurzschlußströme, die die Nennströme uro 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 wir« 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 entweder als supraleitender steuerbarer Einsatz (DE PS 12 50 526) oder in Form verschiedenartiger Reaktanzdrosseln, Resonanzeinrichtungen bzw. induktive Nebenschlußwiderstände (SU-PS 2 76 224) ausgeführt sein kann. Die Auslöser können gleichfalls entweder als übliche oder supraleitend ausgeführt sein, doch muß die Kommutation 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 Eigenschäften 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 ι ο 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.

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 12 72 656), 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 Oberstrom führen soll.

Doch der hohe Anteil der Gesamtkosten der jo elektrischen Supraleitfernleitungen, den der Einsatz eines Kälteerzeugers verursacht, sowie die Vereinfa chung des Durchpumpprozesses des Einphasenkühlmittels und die vervollkommnete Herstellungstechnologie der SupraheiBleiter führte zur Verwendung eines J5 Supraleiters mit hohen kritischen Parametern als Hauptstromführungselement im Nennbetrieb. So zeigten beispielsweise einige Untersuchungen, durchgeführt mit dem Supraleiter Nb₃Sn (Niob-Zinn), daß die Größe (H) des Durchdringungsfeldes und die Dicke (Δ) der Supraleitschicht folgendermaßen miteinander zusammenhängen:

H -

(1)

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

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 (,0 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 (1) verlangt wird, ein Stabilisieren der Kauptschicht des Supraleiters einfach unmöglich.

Darum gilt als der einfachste und annehmbarste Lösiingsweg des Überlastungsproblems die Zulassung eines Verlustes der Supraleitfähigkeit des Kabels für die Dauer der Stromüberlastung mit einer nachfolgendan 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 entsprechende 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 super:jitfähigen 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 Kabal 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, die eine Rückerlangung der supraleitfähigen Eigenschaften nach der>< Kurzschlußbetrieb gewährleisten.

Die Aufgabe 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 Uni^r'age im Kurzschlußbetrieb dank der Gegenwart des oben erwähnten guten Wärmekontakts mit dem Supraleiter bewiikt jedoch eine 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

28 05 02b

Nennbetrieb berechneten Kabels um ein mehrfaches einige Male übersteigen.

Der erfindungsgemäßen Kabelkonstruktion steht am nächsten die Konstruktion eines supraleitfähigen Kabels (US-PS 36 00 498), 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 Adei 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 Nennbe-

den Überstrom führt.

Von einem bestimmten Wert der Stromüberlastung an, der bedeutend tiefer unter dem Niveau der Kurzschlußströme liegt, wird die Arbeitsweise eines solchen Kabels und dessen Zustand einem Kabel äquivalent, in derr. 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 Mängeln 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, eine die Schwierigkeiten und Nachteile des Standes der Technik vermeidendes 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 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 Wirkwiderstand der Unterlage im Bereich einer Sektion den induktiven Widerstand des Rhasenleiters dieser Sektion übersteigt, und die beiden Adem des Phasenleiters mindestens an den Stellen, die zum Anschluß der Endgerate bestimmt sind, elektrisch verbunden sind, wobei die Innenader aus einem Normalmetall ausgeführt ist und die Dicke des stabilisierenden Materials der Unerlage die effektive Eindringtiefe des Wechselstroms nicht übersteigt

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

Ais Trennmaterial der Unterlagen kann man eir Dielektrikum verwenden.

Es ist zweckmäßig, falls der Schirm als Rückleitung

verwendet wird, den Schirm mit einer Ader aus einerr

ι Normalmetall zu versehen, die den Schirm von außer umfaßt und von ihm durch eine Wärmeisolatior getrennt ist, wobei der Schirm und die Ader wenigstem an den Stellen elektrisch zu verbinden sind, die zu π

Anschluß der Endgeräte bestimmt sind. Um di<

in Herstellungstechnologie des Kabels zu vereinfachen kann man als Trennmaterial der Unterlagen ein Metal bzw. eine Legierung verwenden.

Um die Stabilisierung des Kabels im Netzbetrieb zi verbessern, ist es zweckmäßig, die lokalen Strecken de ι ■ stabilisierenden Materials der Unterlagen mit einen supraleitenden Material zu bewehren.

Falls als Trennmaterial Metall bzw. eine Legierung verwendet wird, kann man die Außenfläche de:

ae· C/iUipmi- nrnA s-lin Innanfl5#ikn rin

Trennmaterials des Phasenleiters mit einer Schicht eine; Supraleitmaterials, beispielsweise analog dem Hauptsu praleiter überdecken.

Es ist zweckmäßig, zur Herabsetzung des Metallbe darfs der Konstruktion und zur Erhöhung dei stabilisierenden Wirkung der Ader aus einem Normal metall des Phasenleiters im Nennbetrieb des Kabels, di< Normalmetallader und die supraleitende Ader de: Phas>' Deiters durch eine Wärmeisolation zu trennen.

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

Außerdem ist es zweckmäßig, um die Betriebssicher heit des Kabels im Überlastungszutand zu erhöhen mindestens an den Stellen, die zum Anschluß dei Endgeräte bestimmt sind. Einsätze anzuwenden, die au: einem supraleitenden Material zweiter Art ausgeführ sind, das der Bedingung entspricht:

"T*

worin H und Hi das erste bzw. zweite kritische Feld de supraleitenden Materials des Einsatzes, /, und h den Nenn- bzw. Überstrom des Kabel bezeichnen.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiele wird die Erfindung näher erläv-.ert E zeigt

F i g. 1 den Querschnitt eines Einphasen-Supraleitka bels mit rohrförmigen Koaxialadem; Fig. 2 den Längsschnitt des Kabels der Fig. 1;

F i g. 3 die Konstruktion der stabilisierenden Unteria ge der Supraleitader;

F i g. 4 den Schnitt IV—IV der F i g. 3i;

F i g. 5 die elektrische Verbindung der supraleitendei Ader mit der Normalmetallader für den Hin- um Rückleiter eines Einphasenkabels;

Fig.6 den Querschnitt eines Dreiphasen-Supraleit kabeis mit Bandleitern;

Fig.7 eine Ausführungsvariante der Konstruktioi es eines Einphasenkabels mit einer Wärmeisolation;

Fig.8 eine Ausführungsvariante der Konstruktioi eines Einphasenkabels, dessen StabiBsiermaterial de 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. I. 2) und einen Phasenleiter 2, der eine Ader 3 in Form eines Hohlelements mit einem Supraleiter 4 einschließ und durch eine Unterlage 5 stabilisiert ist, und eine Ader 6 aus einem Normalmetall, die innerhalb de* Ader 3 untergebracht ist, sowie einen Schirm 7 aus einem Supraleiter. Jeder Schirm 7 bzw. Rückleiter, der als Schirm verwendet wird (weiterhin 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 J 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(F ig. 1,2) zugeführt wird, und in einem Einphasenwinkel mit rohrförmigen Leitern gleichzeitig die Hauptelektroisolation darstellt. Die Elektroisolation in einem Dreiphasenkabel mit Bandleitern wird mit Hilfe eines starren Banddielektrikums 17 (F i g. 6) verwirklicht.

L»er 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 F i g. 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:

/₃ _ 1[R₁(R₁ + R₂ + (<» IL)²]² + (,.,

+ (,, IL)²

(3)

den Strom in der Supraleitader,

den Gesamtstrom am Kabeleingang,

den Wirlcwiderstand der Nonnalmetallader,

den effektiven (äquivalenten) Wirkwiderstand der supraleitenden Ader unter Berücksichtigung des Widerstandes der Unterlage und

die Differenz der induktiven Widerstände der Supraleitader und der Nonnalmetallader

bezeichnen.

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

I /.

Wenn der Eingangsstrom /4 des Kabais den kritischen Wert nicht übersteigt, fließt der Gesamtstrom durch die supraleitende Ader, d. h.

= 1

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 bndwert der Wärmedurchgangszahl befindet, so beginnt eine Aufheizung des Supraleiters, die einen lavinenartigen Prozeß der Zerstörung der Supraleitfähigkeit einleitet, d. h. zu einem Anstieg des Widerstands R₂ 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.

So erhält man z. B. bei R₂ =

= 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 »a>AL«, was nach de: Stabilisierungsbedingungen eines Supraleiters im Nennbetrieb unzulässig ist, zu einer analogen Stromneuverteilung führt:

In der vorliegenden Konstruktion werden die Werte von /?2 infolge einer bedeutenden Widerstandserhöhung der Unterlage gegenüber dem Transportstrom den Wert von »cadi«· übersteigen, wodurch ein Verhältnis der Stromneuverteilung entsteht, das sich folgendermaßen ausdrücken läßt:

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 Kabais von üblicher Konstruktion durch folgende Beziehung

bestimmt:

worin

W,

= /ν

W₁ die Wärmeabgabe in der Unterlage eines Kabels

von üblicher Konstruktion,
W₂ die Wärmeabgabe in der Normalmetallader der

vorliegenden Kabelkonstruktion,
k den Querschnittsfüllfaktor des Phasenleiters durch

eine Normalmetallader,
D den Durchmesser des Phasenleiters und
(5 die Skinschicht des stabilisierenden Materials der Unterlage

bezeichnen.

Die Beseitigung des merklichen Einflusses der Wirbelstromverluste in den Leitern der Normalmetallader aut die gesamte Wärmeabgabe in ihr laßt 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 = I¹ R.

worin

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

bezeichnen.

Der Widerstand der Unterlage wird folgendermaßen bestimmt:

.7 D Λ

ρ den spezifischen elektrischen Widerstand des stabilisierenden Materials der Unterlage und
/ die Kabellänge

bezeichnen.

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

_ _f2 ,.-. I Lf _

Folglich muß der Widerstand der Supraleitader größer sein als

(10)

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 end gleichen Durchmessers.

Wenn aber praktisch der gesamte Kurzschlußstrom durch die Nirmalmctallader 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 Skinschic' ' verursacht eine Verringerung der Wirbelstromvei c im Verhältnis zu den Wärmeabgabewerten in der Unterlage eines Kabels

in von üblicher Konstruktion, die durch die folgende Formel bestimmt wird:

ι". worin

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

κι verwendet werden, die im Normalzustand einen höheren Widerstand aufweisen, deren stabilisierende Unterlage dem Transportstrom den höchsten Widerstand leistet, wobei die Dicke des stabilisierenden Materials der Unterlage geringer als dessen Skinschicht

π sein muß.

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

in Eine Überbrückung der Kabelstrecken durch eine Normalmetallader bietet die Möglichkeit, den Supraleiter des Kabels gegen ein Ausbrennen it dem Falle zu schützen, wenn trotz der stabilisierenden Wirkung der Unterlage im Nennbetrieb des Kabels die Normalzone

4-> sich am Supraleiter weiter fortsetzt. Eine derartige Überbrückung erhöht die Betriebssicherheit des Kabels im Nennbetrieb.

In F i g. 7 ist eine Variante einer Kabelkonstruktion an einem Beispiel eines Einphasenkabels mit rohrförmigen

■ίο Koaxialleitern 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 siner vakuumdichten Hülle 25, z. B. aus Stahl, versehen und von den entsprechenden, in Form von Rohrleitern ausgeführten Normalmetalladern durch eine Wärmeisolation 26 — gegebenenfalls durch

bo 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 Wärmespeicher für die Kurzschlußdauer, wobei die Wärmeabfuhrgeschwindigkeit in den Kälteträger sich

mit der Durchflußgeschwindigkeit des Kälteträgers in Übereinstimmung bringen lälit.

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. gekühlt auszuführen, wobei die Kühlung der Ader 6 sich von der Kühlung der supraleitenden Ader 3 des Kabeis unterscheiden kann un 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 NB3Sn (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 F i g. 8, wo als Ausführungsbeispie! 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 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. NbsSn (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 Unterlagen 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 Magr.etsysteme und elektrische Maschinen, und stützt sich außerdem auf die gegenwärtige Technologie der Auftragung von Supraleitern.

Die gegenwärtig fortschrittlichste Herstellungstechnologie der Halbzeuge für die stromfühl ?nden 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 zwischen der supraleitenden Ader 3 und der Normalmetallader 6 um so 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 um.. 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:

«2.

.ίο worin

H], Hi das erste bzw. zweite kritische Feld des

supraleitfähigen Materials des Einsatzes u':d
/ι, h den Nenn- bzw. Überstrom des Kabe!

bezeichnen.

Die genannten Einsätze kann man an jeder Stoßstelle der Kabelsektionen anordnen, sie könenn aber auch einzelne Abschnitte oder sogar einen gemeinsamen

-,(i Abschnitt darstellen, die an einer beliebigen Stelle der Kabeltrasse angeordnet sind.

Die Gesamtlänge dieser Einsätze muß einen Widerstand ergeben, der eine solche Stromverteilung gewährleistet daß unter Berücksichtigung sonstiger Wärmeabgaben in den Supraleiter, nämlich der Wirbelstromverluste, die Supraleiteigenschaften dieser Ader erhalten beiben, und daß sie den Reststrom ohne Verluste überträgt

Der Einsatz wird durch das Feld des Kurzschluß-Stroms 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 Überiastbetrieb, und besonders nach dessen Beendi-

gung 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 wesentlicher geringerer ohmscher Widerstand des Einsatzes beim Verlust seiner Supraleitfähigkeit als zur Strombegrenzung an einer konkreten Anordnungsstelle des Supraleitkabels im Energiesystem erforderlich ist, was eine Einsparung des Supraleiters bedeutet, und zweitens, werden keine Steuereinrichtungen benötigt, wodurch die Betriebssicherheit des Kabels jrhöht wird.

Die Ausführung der Konstruktion der Einsätze ist am Beispiel eines Einphasenkabels in F i g. 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 i imeriagen 5,8.

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 wärmespeicherfähigen Material mit hohem elektrischen Widerstand auszuführen.

Außerdem ist ein Spezialfall möglich, wenn da gesamte Kabel aus einem derartigen Supraleite hergestellt wird, wodurch die Möglichkeit entsteht, dei Strom zwischen der supraleitenden Ader und de Normalmetallader in einem praktisch »kalten« supralei tenden Stromführungssystem zu verteilen.

Es ist zu beachten, daß die Verwendung der Einsatz! ίο 31 die Möglichkeil bietenden Inhalt des stabilisierendei Materials in der Unterlage des Supraleiters de Kabelsektionen zu vergrößern.

Die Außenmaße der Einsätze, besonders unte Berücksichtigung einer anderen Art ihrer Kühlung können sich von den Außenmaßen der Kabelsektionei nicht unterscheiden. In der vorliegenden Ausführungs Variante ist eine Wärmeisolation der Normalmetall ädern nicht vorgesehen.

Die vorgelegten Konstruktionsvariznten eines Supra ieiiwechseistromkabeis ermöglichen seine Ausführung praktisch für die Nennwerte der Übertragung dei elektrischen Energie unabhängig von den Kennwerte: des Kurzschlußbetriebs und der Anordnungsstelle de: Kabels im Energiesystem.

Hierzu 4 Blau Zächnunecn

Claims

Patentansprüche:

1. 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 ι ο untergebracht ist, dadurch gekennzeich- genügt,worin net, 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 ι ^ gebildet sind, die durch ein Material (11) von geringerer Elektroleitfähigkeit als die des stabilisierenden Materials getrennt sind, wobei der Wirkwiderstand der stabilisierenden Unterlagen (S, 8) in den Bereichen einer Sektion (15) den induktiven Widerstand des Phasenleiters (2) dieser Sektion übersteigt, und daß die beiden Ädern (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 m gekennzeichnet, daß das Trennmaterial der Unterlagen (5,8) ein Dielektrikum darstellt.

3. Wechselstromi-abel n.^ch Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich.ie», daß zur Verwendung des Schirms (7) als Rückleiter, ι sr Schirm mit einer j5 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. -r.

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 (19) armiert sind. ->o

6. Wechselstromkabel nach einem der Ansprüche I 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 γ, Metallegierung als Trennmaterial der Unterlage, mit einer Schicht eines Supraleitmaterials (30) überzogen sind.

7. Wechselstromkabel nach einem der Ansprüche

I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Normalme- bo tallader (6) und die supraleitende Ader (3) des Phasenleiters durch eine Wärmeisolation (26) voneinander getrennt sind.

8. Wechselstromkabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Normalmetallader (6) und b^r> 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 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